一种镧铁改性膨润土及其制备方法与流程

1.本发明属于吸附材料技术领域，具体涉及一种镧铁改性膨润土及其制备方法。


背景技术：

2.随着社会的快速发展，人们的生活质量不断提高，然而水体污染状况却日益堪忧，目前已严重威胁到社会的可持续性发展。湖泊、水库、池塘和水坝河流等淡水系统的富营养化(即有毒藻类大量繁殖)一直是需要解决的严重全球环境问题之一，特别是在发展中国家，磷(p)被认为是驱动淡水系统富营养化的关键限制性因素。经过相关文献所述，大部分水体以及大量地下水都普遍存在水质问题，水体富营养化现象日益严重，甚至失去了饮用水功能，给人体健康带来伤害。大量的生活污水、工业废水和农业用水进入自然水域，导致氮、磷等营养物质富集，引发了藻类及其他浮游生物的迅速繁殖，从而导致水体的溶解氧减少，同时会引发水华和赤潮等现象，造成大量水生生物死亡，最后导致生态系统彻底崩溃。随着化工产业的发展，水体富营养化愈来愈严重，减轻水体富营养化程度不仅要从源头上减少含磷水体的排放，更重要的是对含磷水体进行有效治理。废水中磷存在多种形态，常见的为正磷酸盐、缩合磷酸盐(焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐)和有机结合的磷。
3.吸附法是一种重要的水体除磷方法，是通过吸附除磷剂上的表面活性位点与吸附质发生物理、化学作用，使污染物聚集，由此实现除磷的目的。吸附除磷法具有适用范围广、操作简便、对环境友好、可回收性等优点，是除去低浓度磷酸盐的有效方法。研究一种可资源化再利用、易再生且高效的吸附除磷剂是目前水体除磷的重要研究方向。
4.目前常用稀土元素改性膨润土作为水体除磷吸附剂，但是稀土元素的价格较高，仅采用稀土元素进行改性，导致生产成本增加。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种镧铁改性膨润土及其制备方法，该改性膨润土可有效解决现有的改性膨润土存在的生产成本高的问题。
6.为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种镧铁改性膨润土的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将钠基膨润土加入硫酸中，室温下搅拌，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次干燥、研磨，得酸化膨润土粉末；
9.(2)依次向酸化膨润土粉末中加水和lacl3·
7h2o，搅拌30
‑
50min，然后调节溶液的ph值为酸性或碱性，再向溶液中加入fecl3·
6h2o溶液，搅拌20
‑
40min，最后离心，干燥，制得镧铁改性膨润土。
10.上述方案中，通过硫酸对膨润土进行预处理，硫酸可洗掉膨润土中的杂质以及能够与镧发生副反应的氧化铝，疏通膨润土层间的孔道，使其孔容积和比表面积增大，同时，还会减弱膨润土中蒙脱石的层间键能，促使其层状晶格裂开，从而使得膨润土结构疏松、膨胀性和吸附性更好。
11.后续加入镧铁元素后，镧、铁元素进入膨润土的层间与其发生离子交换、引入表面羟基化合物、改善膨润土层间结构并生成了新的la
‑
o
‑
si、fe
‑
o
‑
si键，形成了改性的膨润土；通过调节ph值，在改性的膨润土表面引入金属氢氧化物和氧化物，在这些物质的表面，由于离子配位不饱和，不饱和的配位离子会与水配位，生成羟基化表面，使发生质子迁移的表面羟基数增多，使得膨润土更容易与阴阳离子生成表面羟基络合物，进而提高吸附阴阳离子的能力。
12.进一步地，步骤(1)中钠基膨润土与硫酸的固液比为1:4
‑
6。
13.进一步地，步骤(1)中硫酸的质量浓度为10
‑
20％。
14.进一步地，步骤(2)中酸化膨润土粉末、水和lacl3·
7h2o的质量比为1:18
‑
22:1
‑
1.5。
15.进一步地，步骤(2)中使用盐酸或氢氧化钠作为ph调节剂，调节溶液ph值为2
‑
4或8
‑
12。
16.进一步地，步骤(2)fecl3·
6h2o溶液中fe
3
的浓度为0.1
‑
0.4mol/l。
17.进一步地，步骤(2)中制得的镧铁改性膨润土中镧与铁的摩尔比为1
‑
3。
18.进一步地，步骤(2)中制得的镧铁改性膨润土中镧与铁的摩尔比为2.2。
19.上述方案中，当la/fe的比例太大或太小时，镧、铁形成胶体进入膨润土层间并附着在端面，而没有参与形成胶体的镧或铁离子各自形成沉淀将会附着在膨润土表面或空隙之间，堵塞孔道或占据吸附位，降低对磷的吸附效率。
20.进一步地，步骤(1)和步骤(2)中的干燥温度均为75
‑
85℃。
21.本发明所产生的有益效果为：
22.本发明中通过镧和铁改性后的膨润土对于水体中的磷具有较好的去除效果，且由于铁的引入，可降低改性膨润土的生产成本；本发明中的制备方法简单，方便操作，对于技术和设备要求较低；本发明中的改性膨润土对水体中磷的吸附效率较高，在30min内便可达到较好的吸附效果。
23.经过改性后的膨润土的矿物成分与未改性膨润土的矿物成分相似，主要成分为蒙脱石和石英，表明改性后的膨润土生态风险较小，适用于水体除磷。
附图说明
24.图1为实施例1中经硫酸处理后的膨润土的sem图；
25.图2为实施例1中负载铁离子后的膨润土的sem图；
26.图3为实施例1中负载镧铁离子后的膨润土的sem图；
27.图4为实施例1中负载镧铁离子后的膨润土的sem图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
29.实施例1
30.一种镧铁改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
31.(1)将4g钠基膨润土加入20ml质量浓度为15％的硫酸中，室温下搅拌30min，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次于80℃条件下干燥、
研磨，得酸化膨润土粉末；
32.(2)依次向2g酸化膨润土粉末中加40ml蒸馏水和2.4g lacl3·
7h2o，搅拌40min，然后调节溶液的ph值为2，再向溶液中加入fe
3
浓度为0.2mol/l的fecl3·
6h2o溶液，搅拌30min，最后离心，于80℃条件下干燥，制得镧与铁的摩尔比为2.2的镧铁改性膨润土。
33.实施例2
34.一种镧铁改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
35.(1)将4g钠基膨润土加入16ml质量浓度为10％的硫酸中，室温下搅拌30min，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次于80℃条件下干燥、研磨，得酸化膨润土粉末；
36.(2)依次向2g酸化膨润土粉末中加36ml蒸馏水和2g lacl3·
7h2o，搅拌40min，然后调节溶液的ph值为12，再向溶液中加入fe
3
浓度为0.1mol/l的fecl3·
6h2o溶液，搅拌30min，最后离心，于80℃条件下干燥，制得镧与铁的摩尔比为1的镧铁改性膨润土。
37.实施例3
38.一种镧铁改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
39.(1)将4g钠基膨润土加入24ml质量浓度为20％的硫酸中，室温下搅拌30min，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次于80℃条件下干燥、研磨，得酸化膨润土粉末；
40.(2)依次向2g酸化膨润土粉末中加44ml蒸馏水和3g lacl3·
7h2o，搅拌40min，然后调节溶液的ph值为4，再向溶液中加入fe
3
浓度为0.4mol/l的fecl3·
6h2o溶液，搅拌30min，最后离心，于80℃条件下干燥，制得镧与铁的摩尔比为3的镧铁改性膨润土。
41.对比例1
42.一种镧改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
43.(1)将4g钠基膨润土加入20ml质量浓度为15％的硫酸中，室温下搅拌30min，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次于80℃条件下干燥、研磨，得酸化膨润土粉末；
44.(2)依次向2g酸化膨润土粉末中加40ml蒸馏水和2.4g lacl3·
7h2o，搅拌40min，然后离心，于80℃条件下干燥，制得镧改性膨润土。
45.对比例2
46.一种铁改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
47.(1)将4g钠基膨润土加入20ml质量浓度为15％的硫酸中，室温下搅拌30min，得乳白色悬浊液，将所得乳白色悬浊液用蒸馏水离心洗涤至中性，然后依次于80℃条件下干燥、研磨，得酸化膨润土粉末；
48.(2)依次向2g酸化膨润土粉末中加40ml蒸馏水和2.4g fecl3·
6h2o，搅拌30min，然后离心，于80℃条件下干燥，制得铁改性膨润土。
49.对比例3
50.一种镧铁改性膨润土，其制备方法包括以下步骤：
51.依次向2g钠基膨润土粉末中加40ml蒸馏水和2.4g lacl3·
7h2o，搅拌40min，然后调节溶液的ph值为2，再向溶液中加入fe
3
浓度为0.2mol/l的fecl3·
6h2o溶液，搅拌30min，最后离心，于80℃条件下干燥，制得镧与铁的摩尔比为2.2的镧铁改性膨润土。
52.试验例
53.分别称取实施例1
‑
3和对比例1
‑
3中的改性膨润土，分别向每种膨润土中加入等量相同水源的含磷污水，使得改性膨润土的浓度达到6g/l，污水中磷含量为2.37mg/l，静置30min后用离心机离心3分钟，收集上清液，测定溶液中磷的残余浓度，计算出吸附剂对磷的去除率，具体结果见表1。
54.表1：吸附剂对磷的去除率
[0055] 磷去除率(％)磷的残余浓度(mg/l)实施例198.70.03实施例297.80.05实施例398.10.05对比例198.80.03对比例242.91.35对比例356.21.04
[0056]
通过上表可以看出，实施例1
‑
3中的镧铁改性膨润土对污水中磷的去除率较高。
[0057]
将对比例1与实施例1相比，对比例1中仅采用镧改性膨润土，虽然其对污水中磷的去除率较高，但是，镧的价格较贵，导致生产成本增加。
[0058]
将对比例2与实施例1相比，对比例2仅采用铁改性膨润土，其对污水中磷的去除率仅为42.9％，去除率较低。
[0059]
将对比例3与实施例1相比，未对膨润土进行酸化预处理，其对污水中磷的去除率仅为56.2％，主要原因为未酸化的膨润土中表面积较小，与磷形成的结合位点较少，导致对磷的去除率较低。
[0060]
通过附图1可以看出，经过硫酸预处理的膨润土呈片层状、蓬松状态，证明经过硫酸预处理后，膨润土的层间距增大，比表面积增大。
[0061]
通过附图2可以看出，负载铁离子的膨润土粒子较为完整，粒子表面较为粗糙，说明铁改性膨润土的表面能比较高。
[0062]
通过附图3和4可以看出，经过镧铁改性的膨润土有光滑的片状表面，结构疏松，说明镧铁与膨润土中的离子进行了交换，增大了膨润土的层间距，便于提高除磷效果。