專利名稱：一種去除廢水中Cr的塊狀硅基氣凝膠的常壓制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種去除廢水中Cr3+的塊狀硅基氣凝膠的常壓制備方法，特指利用常壓干燥方法制備能夠高效去除廢水中Cr3+的塊狀硅基氣凝膠。
背景技術(shù)：
SiO2氣凝膠為輕質(zhì)納米多孔性非晶固態(tài)材料，具有許多優(yōu)異的性能，如孔隙率高( 99%)、密度低( 0.3 g/cm3)、比表面積大(I 600 m2/g)、熱導(dǎo)率低(< 0.02 W/mK)、聲速低( 100 m/s)、折光率低(1.0fl.10)等。因此SiO2氣凝膠在隔熱材料、聲阻抗耦合材料、火箭液體推進劑的存儲介質(zhì)、Cherenkov探測器、催化劑及催化劑載體、高效隔熱材料及制備高效可充電電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，同時作為吸附劑在廢水處理、空氣凈化和核廢棄物處理中也有很好的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外制備SiO2氣凝膠通常都以硅酸酯為原料，采用溶膠-凝膠法，經(jīng)超臨界干燥制得。但是超臨界干燥設(shè)備要求高，存在不安全因素等，且所制得氣凝膠容易吸收水分而大大影響其性能，大規(guī)模應(yīng)用受到很大制約。隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬離子對環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，對人類的安全也形成了極大的威脅，尋求經(jīng)濟的處理方法就顯得尤為重要，鉻是一種存在于礦冶、電鍍、印染廢水中的重金屬，可通過皮膚、呼吸道等途徑侵入人體，引起病態(tài)反應(yīng)及具有強致癌作用。鉻離子在水中主要以Cr3+和Cr6+的形式存在，Cr3+的毒性要低于Cr6+，但是Cr3+可以被氧化成具有強致癌性的Cr6+，所以工業(yè)廢水中的Cr3+對環(huán)境及生物危害極大。目前Cr3+的處理方法有化學(xué)法(沉淀法、鐵氧化法、電解還原法)、物理化學(xué)法(膜分離法、離子交換法、吸附法)、生物法(好氧處理法、厭氧處理法)等，其中吸附法由于具有操作簡單、成本低、無二次污染等特點而被廣泛應(yīng)用。Huijuan Liu 等人(Colloid and Surface A:Physicochemicaland Engineering Aspects, 2009，347 (1-3) 38-44)研究了 SiO2 氣凝膠對有毒有機物的吸附性能；王碧等人(Journal of Sichuan Vocational and Technical College,2011，21 (3) 117-118)利用高分子絮凝劑處理含Cr3+的廢水；李聞欣等人(中國皮革，2011，40(17)36-39)研究了廢羊毛對Cr3+的吸附性能。迄今為止，尚未有利用常壓制備的塊狀硅基氣凝膠來處理含有Cr3+的廢水的報道。本研究表明:利用常壓干燥制備的塊狀硅基氣凝膠對Cr3+的去除率達到99%，能夠有效處理含Cr3+的廢水。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用常壓制備能有效去除廢水中Cr3+的塊狀硅基氣凝膠。而不同改性劑、不同比例改性的硅基氣凝膠對于Cr3+的吸附性能有明顯差異，因此常壓制備對Cr3+吸附性能最為優(yōu)異的塊狀硅基氣凝膠 是本發(fā)明的基本內(nèi)容，以下這種常壓制備的硅基氣凝膠對Cr3+的吸附性能最佳，為含Cr3+的廢水處理提供了一種新材料。
—種去除廢水中Cr的塊狀硅基氣凝膠的常壓制備方法，按照下述步驟進行:
一、塊狀娃基氣凝膠制備方法如下:
(1)將正硅酸四乙酯，無水乙醇，草酸(0.008mol/L)按照1: 0.6:0.2的體積比混合于燒杯中，將燒杯封口，置于50°C水浴中磁力攪拌12h ；
(2)逐滴緩慢加入一定量氨水，靜置約40min，溶膠逐漸凝膠，立即加入無水乙醇浸泡36h (每12h換無水乙醇一次)以老化凝膠，并置換出凝膠中的水及其他未反應(yīng)完原料，
(3)36h后利用表面張力更低的正己烷繼續(xù)浸泡凝膠36h(每12h換正己烷一次)，繼續(xù)老化，并置換出凝膠中的乙醇。溶劑交換之后，利用1:15的六甲基二硅胺烷/正己烷改性劑在50°C下浸泡凝膠24h以對凝膠進行表面改性，改性結(jié)束之后再用正己烷浸泡凝膠24h(每12h換一次)以除去凝膠中未完全反應(yīng)的改性劑。(4)最后將燒杯用帶針孔的鋁箔封口后，置于60°C無風(fēng)干燥箱中進行干燥96h后，逐步升溫至180°C，干燥3h得到塊狀硅基氣凝膠。二、塊狀硅基氣凝膠去除廢水中Cr3+的方法如下:1、分別配制 2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L Cr (NO3)3 溶液,利用原子吸收光譜法測繪得到其標(biāo)準(zhǔn)曲線，并利用此標(biāo)準(zhǔn)曲線測算經(jīng)氣凝膠吸附后的廢水中Cr3+含量。2、在20mL含Cr3+為7mg/L的廢水中，當(dāng)氣凝膠的用量為lg、吸附時間為20 h、pH為6.0時，氣凝膠對廢水中Cr3+吸附效率最高，達到99%以上，殘留Cr3+濃度僅為0.07mg/L，低于國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)對Cr3+的限定值。本發(fā)明的優(yōu)點:`
本發(fā)明是通過常壓干燥方法制備能夠吸附廢水中Cr3+的塊狀硅基氣凝膠。常壓干燥相比超臨界干燥具有成本低、操作簡單、安全性高等優(yōu)點，且如圖1、圖2所示，利用常壓制備的塊狀氣凝膠呈多孔狀、骨架疏松、比表面積大(Abet=770.5 m2/g)、吸附率高、不會造成二次污染，為去除廢水中Cr3+的一種理想材料。


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圖1:常壓制備的塊狀硅基氣凝膠掃描電鏡、透射電鏡 圖2:常壓制備的塊狀硅基氣凝膠N2吸附-脫附等溫線；
圖3:Cr3+的標(biāo)準(zhǔn)曲線 圖4:氣凝膠的用量對吸附率的影響；
圖5:吸附時間對吸附率的影響；
圖6:pH對吸附率的影響。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施實例對本發(fā)明做進一步說明。將正娃酸四乙酯,無水乙醇，草酸(0.008mol/L)按照1:0.6:0.2的體積比混合于燒杯中，將燒杯封口，置于50°C水浴中磁力攪拌12 h。逐滴緩慢加入一定量氨水，靜置約40min，溶膠逐漸凝膠，立即加入無水乙醇浸泡36 h (每12h換無水乙醇一次)以老化凝膠，并置換出凝膠中的水及其他未反應(yīng)完原料，36 h后利用表面張力更低的正己烷繼續(xù)浸泡凝膠36 h (每12h換正己烷一次)，繼續(xù)老化，并置換出凝膠中的乙醇。溶劑交換之后，利用1:15的六甲基二硅胺烷/正己烷改性劑在50°C下浸泡凝膠24 h以對凝膠進行表面改性，改性結(jié)束之后再用正己烷浸泡凝膠24h (每12h換一次)以除去凝膠中未完全反應(yīng)的改性齊U。最后將燒杯用帶針孔的鋁箔封口后，置于60°C無風(fēng)干燥箱中進行干燥96 h后，逐步升溫至180 °C，干燥3 h得到塊狀硅基氣凝膠如圖1所示，圖2、圖3為制得的塊狀硅基氣凝膠的表征圖片，由圖可知，制備的塊狀硅基氣凝膠為具有開口管道的納米多孔材料，骨架疏松，比表面積大。利用制得的塊狀硅基氣凝膠來處理含Cr3+廢水，實驗結(jié)果如下:1、分別配制 2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L Cr (NO3)3 溶液,利用原子吸收光譜法測繪其標(biāo)準(zhǔn)曲線，并利用此標(biāo)準(zhǔn)曲線測算經(jīng)吸附后的模擬廢水的Cr3+含量。根據(jù)原子吸收光譜測量結(jié)果得出Cr3+標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4所示，擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)為0.99952。2、分別取 0.5g、l.0gU.5g、2.0g、2.5g、3.0g 氣凝膠于錐形瓶中，加入 20mL、7mg/L的模擬含Cr3+廢水，置于恒溫振蕩箱中振蕩20h，過濾、利用原子吸收測量殘留的Cr3+濃度。由圖5可以看出，殘留Cr3+濃度隨氣凝膠用量的增加不斷降低，而吸附率隨氣凝膠用量的增加不斷增大。當(dāng)氣凝膠的用量為Ig時，模擬廢水中殘留的Cr3+最低(0.07mg/L)，吸附率為99.0%。繼續(xù)增加氣凝膠用量，殘留濃度和吸附率都基本保持不變。3、取適量7mg/L的Cr (NO3) 3溶液,加入足量的氣凝膠樣品，每間隔一小時取樣一次，測定殘留Cr3+濃度，實驗結(jié)果如圖6所示，可以看出，殘留Cr3+濃度隨吸附時間的增加不斷降低，而吸附率隨吸附時間的增加不斷增大。20小時后達到吸附平衡，模擬廢水中殘留的Cr3+最低，吸附率達最高。4、利用氣凝膠吸附模擬廢水中的Cr3+時，pH對吸附率的影響如圖所示。由于當(dāng)pH大于6時，溶液中的Cr3+將逐漸轉(zhuǎn)化為Cr (OH) 3沉淀，因此實驗均在pH含6的條件下進行。圖4顯示，Cr3+的殘留濃度隨著pH的增大不斷降低，吸附率相應(yīng)地不斷增大，當(dāng)pH為6.0時吸附率最高，達到99.13% ，殘留的Cr3+濃度僅為0.07mg/L。
權(quán)利要求
1.一種去除廢水中Cr的塊狀硅基氣凝膠的常壓制備方法，其特征在于按照下述步驟進行: 一、塊狀娃基氣凝膠制備方法如下: (1)將正硅酸四乙酯，無水乙醇，0.008mol/L草酸按照1:0.6:0.2的體積比混合于燒杯中，將燒杯封口，置于50°C水浴中磁力攪拌12h ； (2)逐滴緩慢加入一定量氨水，靜置約40min，溶膠逐漸凝膠，立即加入無水乙醇浸泡36h ;其中每12h換無水乙醇一次；以老化凝膠，并置換出凝膠中的水及其他未反應(yīng)完原料， (3)36h后利用表面張力更低的正己烷繼續(xù)浸泡凝膠36h，其中每12h換正己烷一次，繼續(xù)老化，并置換出凝膠中的乙醇； 溶劑交換之后，利用1:15的六甲基二硅胺烷/正己烷改性劑在50°C下浸泡凝膠24h以對凝膠進行表面改性，改性結(jié)束之后再用正己烷浸泡凝膠24h，其中每12h換一次以除去凝膠中未完全反應(yīng)的改性劑； (4)最后將燒杯用帶針孔的鋁箔封口后，置于60°C無風(fēng)干燥箱中進行干燥96h后，逐步升溫至180°C，干燥3h得到塊狀硅基氣凝膠； 二、塊狀硅基氣凝膠去除廢水中Cr3+的方法如下: (1)分別配制2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L Cr (NO3)3 溶液,利用原子吸收光譜法測繪得到其標(biāo)準(zhǔn)曲線，并利用此標(biāo)準(zhǔn)曲線測算經(jīng)氣凝膠吸附后的廢水中Cr3+含量； (2)在20mL含Cr3+為7mg/L的廢水中，當(dāng)氣凝膠的用量為lg、吸附時間為20h、pH為.6.0時，氣凝膠對廢水中Cr3+吸附效率最高， 達到99%以上，殘留Cr3+濃度僅為0.07mg/L,低于國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)對Cr3+的限定值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種去除廢水中Cr的塊狀硅基氣凝膠的常壓制備方法，屬于新材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是通過常壓干燥方法制備能夠吸附廢水中Cr3+的塊狀硅基氣凝膠。用此方法制備的硅基氣凝膠，成塊性良好，比表面積大，對廢水中Cr3+的去除能力強。與超臨界干燥方法相比，本方法具有反應(yīng)條件溫和、工藝流程簡便、反應(yīng)容易控制、成本低廉的優(yōu)點。
文檔編號C02F101/22GK103073007SQ20121039530
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者陳敏, 朱建軍, 吳寅寅, 謝吉民, 姜德立, 魏巍 申請人:江蘇大學(xué)