一种重金属污水处理剂及其制备方法

摘要

本发明属于污水处理材料技术领域，具体涉及一种重金属污水处理剂及其制备方法。本发明研制的产品中包含火山岩；所述火山岩内分布有缝隙；所述缝隙为通孔结构；所述缝隙内部分散有聚烯丙胺。在制备时，先将火山岩和明胶混合球磨，得到预处理火山岩；再将预处理火山岩和水混合溶胀后，加入聚烯丙胺，同时调节pH至碱性，超声分散制得分散液；随后将分散液完全冷冻后，短时间压制，再经完全解冻，如此冷冻、压制和解冻循环5‑10次后，真空冷冻干燥，即得重金属污水处理剂。本发明所得污水处理剂可有效吸附重金属离子，并将其转化为金属盐，且处理剂可长期使用，无须频繁再生处理。

权利要求

1.一种重金属污水处理剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：火山岩的预处理：

将火山岩和明胶按照质量比为10：1-20：1混合球磨36-48h，再经过筛，得预处理火山岩；

新生缝隙的形成：

将预处理火山岩和水按质量比为1：5-1：10混合后，静置溶胀，再加入预处理火山岩质量1-5%的聚烯丙胺，同时调节pH至8.0-8.5，超声分散均匀，得分散液；

将分散液完全冷冻后，于压力为0.3-0.5MPa条件下，压制10-30s；再经完全解冻，得解冻液；

将解冻液冷冻，压制，解冻循环5-10次后，收集最后一次解冻液，真空冷冻干燥，即得产品。

2.根据权利要求1所述的一种重金属污水处理剂的制备方法，其特征在于，所述明胶为等电点为6.0-6.5的明胶。

3.根据权利要求1所述的一种重金属污水处理剂的制备方法，其特征在于，所述预处理火山岩的粒径分布范围为100-500μm。

4.根据权利要求1所述的一种重金属污水处理剂的制备方法，其特征在于，所述具体制备步骤还包括：

新生缝隙的形成：

将预处理火山岩和水按质量比为1：5-1：10混合后，静置溶胀，再加入预处理火山岩质量1-5%的聚烯丙胺，同时调节pH至8.0-8.5，超声分散均匀，再通入二氧化碳气体，调节pH至中性，得分散液；

将分散液完全冷冻后，于压力为0.3-0.5MPa条件下，压制10-30s；再经完全解冻，得解冻液；

将解冻液冷冻，压制，解冻循环5-10次后，收集最后一次解冻液，真空冷冻干燥，即得产品。

说明书

一种重金属污水处理剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于污水处理材料技术领域。更具体地，涉及一种重金属污水处理剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 重金属离子严重危害人体健康，破坏生态环境，目前水体重金属污染已成为全球性问题，对重金属废水的处理已受到广泛关注。传统去除重金属离子的方法很多，但都存在
某些不足之处，而吸附法因其材料易得，价格低廉，去除效果好而受到人们的青睐，在水处
理领域具有很好的应用前景。国内外学者对重金属污染的治理问题做了大量的研究剐，目
前已开发应用的废水处理方法主要有化学法、物理化学法和生物法，包括化学沉淀、电解、
离子交换、膜分离、活性炭和硅胶吸附、生物絮凝、生物吸附、植物整治等方法。采用化学法、
物理化学法都易造成二次污染，且对于大流域、低浓度的有害重金属污染难以处理。而生物
法具有效果好、投资少、运作费用低、易于管理和操作、不产生二次污染等优点，日益受到人
们的关注。

[0003] 吸附法作为一种重要的物理化学方法，在重金属等废水处理中已得到广泛应用，吸附分离技术的发展为工业界和环保领域提供了一个重要机会。目前工业上普遍使用的吸
附剂价值昂贵，使吸附法的广泛应用受到限制，以工农业废弃物及廉价矿物材料为原料开
发廉价、高效的吸附剂将是无机吸附研究的一个重要方向，同时吸附剂的再生、二次污染的
规避、重金属的回收也是吸附法处理废水中应该着重考虑的问题。出于资源回用的目的，生
产生活中出现的一些废弃物经过适当加工后也可以作为重金属吸附剂，这也是日后发展的
另一个趋势。集各类吸附剂之所长，研究新型复合型重金属吸附剂，即将无机、有机或生物
材料复合处理重金属废水不久也将成为人们关注的方向。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有重金属处理剂在使用过程中，容易达到吸附饱和，无法及时有效的吸附污水中的重金属离子，需要频繁的进行再生，而再生过程容易导
致二次污染的缺陷和不足，提供一种重金属污水处理剂及其制备方法。

[0005] 本发明的目的是提供一种重金属污水处理剂。

[0006] 本发明另一目的是提供一种重金属污水处理剂的制备方法。

[0007] 本发明上述目的通过以下技术方案实现：

[0008] 一种重金属污水处理剂，

[0009] 所述重金属污水处理剂包含火山岩；

[0010] 所述火山岩内分布有缝隙；

[0011] 所述缝隙为通孔结构；

[0012] 所述缝隙内部分散有聚烯丙胺。

[0013] 上述技术方案通过利用火山岩作为污水处理剂基材，并且在火山岩中引入通孔结构的缝隙，在产品使用过程中，可在毛细作用下，含有重金属离子的污水渗透进入火山岩缝
隙中，而重金属离子与火山岩骨架结构中金属离子发生离子交换而被捕获；另外，由于聚烯
丙胺可在有水环境下，吸附水中溶解的二氧化碳气体，从而发生交联反应，从而在缝隙中构
筑聚烯丙胺交联网络结构，进一步提升了对重金属离子的过滤拦截能力；再者，由于上述聚
烯丙胺和二氧化碳之间的反应是可逆的，在白天温度较高时，二氧化碳释放，导致缝隙内部
局部碳酸根离子浓度升高，从而与吸附的重金属离子反应形成不溶物；而新生的不溶物用
于粒径较小，吸附能力较强，可进一步吸附更多的重金属离子，从而在使用过程中，可以在
火山岩缝隙结构的基础上，继续长出新生面的缝隙，持续不断的对重金属离子进行吸附固
定；减少了污水处理剂的再生频率，且吸附后的重金属离子以金属盐形式固定，不易流失，
不容易造成二次污染。

[0014] 进一步地，所述重金属污水处理剂为火山岩颗粒；所述火山岩颗粒的粒径分布范围为100-500μm。

[0015] 进一步地，所述缝隙内部还分散有明胶；所述明胶为等电点为6.0-6.5的明胶。

[0016] 进一步地，所述缝隙为新生缝隙，所述新生缝隙是由火山岩经冻融循环得到。

[0017] 一种重金属污水处理剂的制备方法，具体制备步骤为：

[0018] 火山岩的预处理：

[0019] 将火山岩和明胶按照质量比为10：1-20：1混合球磨36-48h，再经过筛，得预处理火山岩；

[0020] 上述技术方案首先通过利用火山岩和明胶混合后，进行长时间的球磨反应，在球磨过程中，首先发生的是火山岩的细化过程，而随着球磨反应的进行，当火山岩细化到一定
程度后，火山岩粉末不再细化，而是发生内部的错位和滑移，这种错位和滑移使得明胶分子
可以有效渗透嵌入到火山岩结构内部，使得火山岩在后续冻融循环过程中保持结构稳定，
具有一定的内聚强度，不易碎裂；

[0021] 新生缝隙的形成：

[0022] 将预处理火山岩和水按质量比为1：5-1：10混合后，静置溶胀，再加入预处理火山岩质量1-5％的聚烯丙胺，同时调节pH至8.0-8.5，超声分散均匀，得分散液；

[0023] 将分散液完全冷冻后，于压力为0.3-0.5MPa条件下，压制10-30s；再经完全解冻，得解冻液；

[0024] 将解冻液冷冻，压制，解冻循环5-10次后，收集最后一次解冻液，真空冷冻干燥，即得产品。

[0025] 上述技术方案首先通过调节pH偏离明胶等电点，在偏离过程中，由于在碱性环境下，明胶分子结构中的羧基被离子化，因同种电荷相互排斥导致明胶发生一定程度膨胀，有
利于水分和聚烯丙胺渗透进入火山岩内部；

[0026] 而在冷冻过程中，水分沿着火山岩内部缝隙扩展并在内部结为冰晶，在短时间压力作用下，部分冰晶碎裂引起火山岩内部产生微小裂缝；解冻后，在再次冷冻过程中，水分
携带聚烯丙胺更进一步渗透到新生的裂缝中，如此冷冻，压制和解冻循环，引起火山岩内部
产生较多的连通微小裂缝；上述新生的连通微小裂缝具有较高的活性和表面能，可以有效
吸附固定污水中的重金属离子。

[0027] 进一步地，所述明胶为等电点为6.0-6.5的明胶。

[0028] 进一步地，所述预处理火山岩的粒径分布范围为100-500μm。

[0029] 进一步地，所述具体制备步骤还包括：

[0030] 新生缝隙的形成：

[0031] 将预处理火山岩和水按质量比为1：5-1：10混合后，静置溶胀，再加入预处理火山岩质量1-5％的聚烯丙胺，同时调节pH至8.0-8.5，超声分散均匀，再通入二氧化碳气体，调
节pH至中性，得分散液；

[0032] 将分散液完全冷冻后，于压力为0.3-0.5MPa条件下，压制10-30s；再经完全解冻，得解冻液；

[0033] 将解冻液冷冻，压制，解冻循环5-10次后，收集最后一次解冻液，真空冷冻干燥，即得产品。

[0034] 本发明具有以下有益效果：

[0035] (1)本发明技术方案利用火山岩内部产生的新生连通微小缝隙作为重金属吸附位点，同时将重金属离子吸附固定后转化为不易流失的重金属盐，而转化后的重金属盐可以
构建新的缝隙，形成新的吸附位点，使得产品不容易达到吸附饱和，且在有效避免吸附饱和
的同时，可以有效避免重金属离子的流失；

[0036] (2)由于可以持续不断的形成新的吸附表面，因此产品无须进行频繁的再生过程，有效降低了使用成本。

具体实施方式

[0037] 以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

[0038] 除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

[0039] 实施例1

[0040] 火山岩的预处理：

[0041] 将火山岩和等电点为6.0的明胶按照质量比为10：1加入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为300r/min，自转转速为500r/min条件下，球磨混
合36h，出料，过筛，筛选出粒径分布范围为100-200μm的颗粒，得预处理火山岩；

[0042] 新生缝隙的形成：

[0043] 将预处理火山岩和水按质量比为1：5混合后，于室温条件下，静置溶胀24h，得溶胀液，再向溶胀液中加入预处理火山岩质量1％的聚烯丙胺，同时调节溶胀液pH至8.0，随后于
超声频率为60kHz，温度为30℃条件下，超声分散1h后，得分散液，再以30mL/min速率向分散
液中通入二氧化碳气体，直至分散液pH转变为中性，得中性分散液；

[0044] 将中性分散液于温度为-50℃条件下，完全冷冻后，于平板压力机中，于压力为0.3MPa条件下，冷冻压制10s，再于室温条件下完全解冻，得解冻液；

[0045] 将解冻液冷冻，压制，解冻循环5次后，收集最后一次解冻液，于真空度为100Pa，温度为-60℃条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，封装，即得产品。

[0046] 实施例2

[0047] 火山岩的预处理：

[0048] 将火山岩和等电点为6.2的明胶按照质量比为15：1加入球磨罐中，并按球料质量比为25：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为350r/min，自转转速为550r/min条件下，球磨混
合38h，出料，过筛，筛选出粒径分布范围为200-300μm的颗粒，得预处理火山岩；

[0049] 新生缝隙的形成：

[0050] 将预处理火山岩和水按质量比为1：8混合后，于室温条件下，静置溶胀28h，得溶胀液，再向溶胀液中加入预处理火山岩质量3％的聚烯丙胺，同时调节溶胀液pH至8.3，随后于
超声频率为65kHz，温度为32℃条件下，超声分散1.5h后，得分散液，再以35mL/min速率向分
散液中通入二氧化碳气体，直至分散液pH转变为中性，得中性分散液；

[0051] 将中性分散液于温度为-80℃条件下，完全冷冻后，于平板压力机中，于压力为0.4MPa条件下，冷冻压制20s，再于室温条件下完全解冻，得解冻液；

[0052] 将解冻液冷冻，压制，解冻循环8次后，收集最后一次解冻液，于真空度为150Pa，温度为-70℃条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，封装，即得产品。

[0053] 实施例3

[0054] 火山岩的预处理：

[0055] 将火山岩和等电点为6.5的明胶按照质量比为20：1加入球磨罐中，并按球料质量比为30：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为400r/min，自转转速为600r/min条件下，球磨混
合48h，出料，过筛，筛选出粒径分布范围为500μm的颗粒，得预处理火山岩；

[0056] 新生缝隙的形成：

[0057] 将预处理火山岩和水按质量比为1：10混合后，于室温条件下，静置溶胀36h，得溶胀液，再向溶胀液中加入预处理火山岩质量5％的聚烯丙胺，同时调节溶胀液pH至8.5，随后
于超声频率为80kHz，温度为35℃条件下，超声分散2h后，得分散液，再以50mL/min速率向分
散液中通入二氧化碳气体，直至分散液pH转变为中性，得中性分散液；

[0058] 将中性分散液于温度为-100℃条件下，完全冷冻后，于平板压力机中，于压力为0.5MPa条件下，冷冻压制30s，再于室温条件下完全解冻，得解冻液；

[0059] 将解冻液冷冻，压制，解冻循环10次后，收集最后一次解冻液，于真空度为200Pa，温度为-80℃条件下，真空冷冻干燥至恒重，出料，封装，即得产品。

[0060] 对比例1

[0061] 将火山岩和等电点为6.0的明胶按照质量比为10：1加入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入氧化锆球磨珠，于公转转速为300r/min，自转转速为500r/min条件下，球磨混
合36h，出料，过筛，筛选出粒径分布范围为100-200μm的颗粒，得产品。

[0062] 对比例2

[0063] 本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未加入聚烯丙胺，其余条件保持不变。

[0064] 对比例3

[0065] 本对比例采用蒙脱石含量为60％的膨润土作为重金属污水处理剂。

[0066] 对实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方式和测试结果如下所述：

[0067] 在避光条件下，分别量取6份200mL铜离子浓度为35mg/L的铜离子溶液，称取等质量的实施例1-3及对比例1-3的产品，即5g，分别投入到上述六份铜离子溶液中，于室温条件
下静置24h，静置结束后，于温度为55℃条件下，保温静置6h后，测量溶液中铜离子浓度的变
化，通过计算铜离子去除率1来反应吸附剂的吸附能力，具体计算方式如下所述：

[0068] E(％)＝100％×(C0-C1)/C0

[0069] 其中，吸附前溶液中铜离子的浓度为C0，吸附后溶液中铜离子浓度为C1；

[0070] 将测试完成后的铜离子溶液过滤，收集得到使用后的污水处理剂，用去离子水冲洗3次后，再次分别投入新配的6份200mL铜离子浓度为35mg/L的铜离子溶液中，于室温条件
下静置24h，静置结束后，于温度为55℃条件下，保温静置6h后，测量溶液中铜离子浓度的变
化，通过计算铜离子去除率2来反应吸附剂的吸附能力；

[0071] 具体测试结果如表1所示：

[0072] 表1：产品性能测试结果

[0073]

[0074]

[0075] 由表1测试结果可知，本发明所得产品具有优异的重金属离子吸附效果，且无需进行复杂的再生过程，可保持较好的吸附持续性。

[0076] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。