[发明专利]一种吸附Pb2+和/或Cd2+的柱撑改性硅藻土及其制备和应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及环保吸附材料制备领域，具体涉及一种吸附Pb²⁺和/或Cd²⁺的柱撑改性硅藻土及其制备和应用方法。

背景技术

硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻遗体堆积后经过初步成岩作用而形成的一种具有多孔性的生物硅质岩。物质组份主要是硅藻，矿物成分为非晶质态的蛋白石，化学成分为无定性的SiO₂以及少量的Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、TiO₂、Na₂O等。硅藻土为固体酸，呈弱酸性，表面及孔道存在大量硅羟基，这些硅羟基是硅藻土具有表面活性、吸附性、负电性及弱酸性等理化特性的本质所在。目前我国已在14个省市自治区发现硅藻土矿70余处，已探明储量4.06亿吨，远景储量超过20亿吨，全国已发现的硅藻土资源占世界探明储量的19.11％，仅次于美国、居世界第二位。

硅藻土因其具有多孔性、巨大的比表面积和众多的硅羟基，可以有效地吸附重金属离子，是重金属离子的稳定载体，且价廉物美，但硅藻土原矿杂质较多，这些杂质一部分包裹在硅藻土壳的外表面，另一部分则隐藏在硅藻土骨架之中，堵塞了硅藻土微孔，降低了硅藻土比表面积，占据了硅藻土吸附点位，阻碍了溶液中的离子进入硅藻土骨架，同时硅藻土还存在较为明显的理化构造缺陷，这些因素极大地限制了硅藻土吸附性能的发挥。为了提高硅藻土吸附性能，有必要对硅藻土实施改性，目前国内外研究人员主要采用常规物理法或化学法对硅藻土实施改性，如水洗法、酸洗法、焙烧法、微波法、盐活化以及接枝大分子有机物等。常规的物化改性多是对硅藻土进行提纯，或是借助其他化合物的混凝作用，无法对硅藻土的吸附性能进行实质性的改善，而柱撑改性作为一种特殊的活化方法可以有效解决这一问题。

柱撑改性是20世纪70年代以来发展起来的具有提高层状结构物质的层间距、稳定性、比表面积及表面活性等的一种工艺技术，柱撑粘土是由柱化剂在粘土矿物层间呈“柱”状支撑接触的新型层柱状纳米多孔材料，具有大孔径、大比表面积、耐热性好，表面酸性强等特点。在吸附环境污染物、工业催化等领域上有独特的作用。利用柱撑粘土矿物对重金属离子的选择性吸附研究还处于一个起步阶段。近几年来国外已有一些学者就蒙脱石等粘土矿物开展了柱撑改性研究，并取得了一定的成效，但针对吸附重金属离子，将柱撑应用于硅藻土改性的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种吸附Pb²⁺和/或Cd²⁺的柱撑改性硅藻土及其制备和应用方法。本发明能显著提高硅藻土对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附性能，改性后硅藻土对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附容量与硅藻土原矿相比分别提高了31.1％和45.7％，且工艺简单、能耗较低，无二次污染。

本发明的技术方案如下：

一种吸附Pb²⁺和/或Cd²⁺的柱撑改性硅藻土的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅藻土原矿研磨，过筛，经酸洗提纯，得到纯化硅藻土，备用；

（2）制备0.1-0.4mol/L的聚羟基铝柱化液（浓度优选0.1-0.2mol/L）；

（3）将步骤（2）制备的柱化液与步骤（1）所得纯化硅藻土按照[Al]/硅藻土摩尔质量比10-15mmol/g混合，充分搅拌；控制反应温度为60-80℃，反应时间为120-180min；

（4）反应结束后将改性硅藻土置于105-120℃活化16-18h，即得所述的柱撑改性硅藻土。

当溶液（即待处理的溶液）中仅含有Pb²⁺时，步骤（2）的柱化液浓度优选为0.1mol/L，当溶液（即待处理的溶液）中仅含有Cd²⁺时，步骤（2）的柱化液浓度优选为0.2mol/L；当溶液（即待处理的溶液）中同时含有Pb²⁺和Cd²⁺时，步骤（2）的柱化液浓度优选为0.2mol/L。

步骤（2）中采用以下三种组合原料中的任意一种反应：

A、碳酸钠或碳酸氢钠溶液+AlCl₃水溶液；

B、碳酸钠或碳酸氢钠溶液+铝片+盐酸；

C、碳酸钠或碳酸氢钠溶液+Al₂O₃+盐酸；