申请日2015.10.27
公开(公告)日2016.01.20
IPC分类号B01D69/06; B01D69/04; B01D69/08; B01D69/10; B01D71/02; B01D67/00; C02F11/00; C02F101/20; C02F103/16
摘要
本发明公开了处理重金属污泥并制备膜的方法。步骤为将重金属污泥和铝矾土熟料混合得到两者的混合物，该混合物添加添加剂后，按制备的陶瓷膜构型添加添加剂，制备得到膜通过压片机制备板式膜，挤出机制备管状膜，自制的湿纺喷丝设备制备中空纤维管状膜。制备的各种构造胚体在一定温度下煅烧即可得到各构造的陶瓷膜。其中重金属污泥中所含的重金属和铝矾土熟料中的铝的摩尔比为1:2-1:8;所述重金属污泥来自电镀行业，线路板行业和金属表面处理行业和电池制造行业。本发明将重金属污染物制备成具有多孔结构的功能陶瓷分离膜，科学环保的治理污染，废物利用，具有推广价值。
权利要求书
1.一种处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，步骤为将重金属污泥和铝矾土熟料混合得到两者的混合物，该混合物添加添加剂后，制备得到膜。
2.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，所述重金属污泥中所含的重金属和铝矾土熟料中的铝的摩尔比为1:2-1:8。
3.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，所述重金属污泥来自电镀行业，线路板行业和金属表面处理行业和电池制造行业。
4.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，所述膜为板式膜，管状膜或中空纤维管状膜。
5.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，还包括如下步骤，
成型：将重金属污泥和铝矾土熟料混合得到两者的混合物在表压6MPa压强下，制备出直径20mm，厚度约1-2mm的圆形陶瓷膜胚体;
煅烧：将制备好的陶瓷膜胚体置于马弗炉中在目标温度下煅烧，升温程序如下：以3℃/min的速度从室温升温至700-1300℃;任选的，再以2℃/min的速度升温至1300℃-1500℃;降温程序为，以5℃/min的速度降温至500-700℃;再自然降温至室温即得到板式膜。
6.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，还包括如下步骤，
将重金属污泥与铝矾土熟料混合得到两者的混合物加入聚氨酯包裹的铁球，干法球磨混合12h，得到混合粉体;优选的，所述重金属污泥与铝矾土熟料的混合物与铁球的体积比为4:1;
添加5wt%PVA作为粘结剂和5wt%的桐油作为增塑剂，然后向粉体中加入5wt%温水制泥，在捏泥机上炼制成22%的含水率的塑性泥料;优选的，所述粘结剂的添加量为5wt%PVA;所述增塑剂的添加量为5wt%的桐油;所述温水的添加量为5wt%温水;
在高湿度环境下陈腐3天，确保有机物和水分在泥料中均匀分布，真空炼泥4遍，再陈腐2天，调节成型模具的尺寸，在挤出机上分别制得外径*内径分别为14*10mm,20*16mm,30*24mm,40*34mm四种规格的陶瓷膜管生坯，干燥72h后，在马弗炉中以2℃/min从室温升至900℃保温1h，然后再以5℃/min升至目标温度1400℃，保温2h，自然冷却至室温，得到陶瓷管支撑体;在所述陶瓷管支撑体内表面利用悬浮粒子浸涂法制备一层TiO2湿膜，在相对湿度为80，室温下干燥3天升至目标温度500℃，保温2h，随后自然冷却即得到管状膜。
7.权利要求1所述处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，还包括如下步骤，
首先将PESf和NMP按照质量比1:4的比例混合成溶液，再加1-2wt.%PVP混合均匀，然后加入重金属污泥与铝矾土熟料混合得到两者的混合物，在行星式球磨机上混合48小时;
成型：将上述所得在真空条件下脱气1小时，再在0.03-0.07MPa氮气压力下通过10cm空气间距，同时以水或酒精、NMP分别作为内外浴液，内外浴液可同或不同，制得中空纤维膜胚体，该胚体在外浴液中浸泡24小时;
干燥：将所述中空纤维膜胚体从溶液中取出后用自来水冲洗几遍，然后在自然条件下干燥;
煅烧：将干燥的中空纤维膜胚体置于马弗炉中在目标温度1100-1500℃下煅烧，升温程序为以3℃/min的速度从室温升温至700-1300℃;任选的，再以2℃/min的速度升温至1300℃-1500℃，保温2小时;降温程序为，以5℃/min的速度降温至500℃;再自然降温至室温即得到中空纤维管状膜。
说明书
处理重金属污泥并制备膜的方法
技术领域
本发明涉及重金属污泥处理领域，尤其涉及处理重金属污泥并制备膜的方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速增长和城市化进程的明显加快，所面临的生态环境日趋恶化，如何应对严重污染的环境问题已是我国社会可持续发展和生态文明建设面临的重要挑战。在工业生产中会产生大量重金属，如铅、铜、镁、镍、锌等，如果这些重金属直接排放到环境中，会进入食物链影响人类和其它生物的健康，造成诸多疾病。为了减少重金属所带来的危害，目前普遍采用水泥固化深埋的办法,但这需要消耗大量的水泥，占用大量的土地资源。综合国内外文献，科技工作者致力于通过金属氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐、硫化物以及有机金属配合物的形式是重金属固定化。这些方法都取得了一定成效，但是固定化的重金属在自然条件下(尤其是酸性条件下)不稳定，易被重新释放出来，造成二次污染。香港大学的KaiminShih教授通过陶瓷高温相转化成功将铅、铜、锌等重金属固定到α-氧化铝、γ-氧化铝和高岭土、莫来石等富铝矿物中，生成更稳定的尖晶石，具有非常高的酸性环境的稳定性(很低的重金属溶出率)，从而实现其固定化。但是对于该生成的尖晶石没有后续处理与功能化应用。同时对于其原料来说，纯氧化铝价格较高，而对于高岭土和莫来石而言，由于其原料中含有大量的二氧化硅，很难制备出多孔陶瓷膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效处理重金属污泥，并制备成具有多孔结构的功能陶瓷分离膜的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种处理重金属污泥并制备膜的方法，其特征在于，步骤为将重金属污泥和铝矾土熟料混合得到两者的混合物，该混合物添加添加剂后，制备得到膜。
进一步，所述重金属污泥中所含的重金属和铝矾土熟料中的铝的摩尔比为1:2-1:8。
进一步，所述重金属污泥来自电镀行业，线路板行业和金属表面处理行业和电池制造行业。
进一步，所述膜为板式膜，管状膜或中空纤维管状膜。
进一步，还包括如下步骤，
成型：将重金属污泥和铝矾土熟料混合得到两者的混合物在表压6MPa压强下，制备出直径20mm，厚度约1-2mm的圆形陶瓷膜胚体;
煅烧：将制备好的陶瓷膜胚体置于马弗炉中在目标温度下煅烧，升温程序如下：以3℃/min的速度从室温升温至700-1300℃;任选的，再以2℃/min的速度升温至1300℃-1500℃;降温程序为，以5℃/min的速度降温至500-700℃;再自然降温至室温即得到板式膜。
进一步，还包括如下步骤，
将重金属污泥与铝矾土熟料混合得到两者的混合物加入聚氨酯包裹的铁球，干法球磨混合12h，得到混合粉体;优选的，所述重金属污泥与铝矾土熟料的混合物与铁球的体积比为4:1;
添加5wt%PVA作为粘结剂和5wt%的桐油作为增塑剂，然后向粉体中加入5wt%温水制泥，在捏泥机上炼制成22%的含水率的塑性泥料;优选的，所述粘结剂的添加量为5wt%PVA;所述增塑剂的添加量为5wt%的桐油;所述温水的添加量为5wt%温水;
在高湿度环境下陈腐3天，确保有机物和水分在泥料中均匀分布，真空炼泥4遍，再陈腐2天，调节成型模具的尺寸，在挤出机上分别制得外径*内径分别为14*10mm,20*16mm,30*24mm,40*34mm四种规格的陶瓷膜管生坯，干燥72h后，在马弗炉中以2℃/min从室温升至900℃保温1h，然后再以5℃/min升至目标温度1400℃，保温2h，自然冷却至室温，得到陶瓷管支撑体;在所述陶瓷管支撑体内表面利用悬浮粒子浸涂法制备一层TiO2湿膜，在相对湿度为80，室温下干燥3天升至目标温度500℃，保温2h，随后自然冷却即得到管状膜。
进一步，还包括如下步骤，
首先将PESf和NMP按照质量比1:4的比例混合成溶液，再加1-2wt.%PVP混合均匀，然后加入重金属污泥与铝矾土熟料混合得到两者的混合物，在行星式球磨机上混合48小时;
成型：将上述所得在真空条件下脱气1小时，再在0.03-0.07MPa氮气压力下通过10cm空气间距，同时以水或酒精、NMP分别作为内外浴液，内外浴液可同或不同，制得中空纤维膜胚体，该胚体在外浴液中浸泡24小时;
干燥：将所述中空纤维膜胚体从溶液中取出后用自来水冲洗几遍，然后在自然条件下干燥;
煅烧：将干燥的中空纤维膜胚体置于马弗炉中在目标温度1100-1500℃下煅烧，升温程序为以3℃/min的速度从室温升温至700-1300℃;任选的，再以2℃/min的速度升温至1300℃-1500℃，保温2小时;降温程序为，以5℃/min的速度降温至500℃;再自然降温至室温即得到中空纤维管状膜。
PVA：聚乙烯醇;PESf:聚醚砜树脂;NMP：N-甲基吡咯烷酮;PVP：聚乙烯吡络烷酮。
含氧化镍的重金属污泥和铝矾土熟料可制备出多孔陶瓷膜(如图1A、图1B和图1C)。在制备陶瓷膜的过程中，通过高温相反应，原位固定氧化镍，在1300℃完全生成具有高化学稳定性的Ni-Al尖晶石，同时得到多孔陶瓷膜。该陶瓷膜材料相对于氧化镍，具有较高的耐酸腐蚀性(如图7)。同时，由于铝矾土除了主反应相氧化铝外，只有少量的莫来石，适合于制备高孔隙率多孔膜。
本发明制备不同膜的原料中，重金属污泥与铝矾土熟料的量按重金属污泥中重金属离子与铝矾土中铝元素的摩尔比1:2-1:8。在此范围内，所形成膜的孔隙率高，效果好。
本发明将其高温反应嵌入到具有环境分离功能的陶瓷膜的结晶相中，以减少重金属的环境危害性。
本发明以减少重金属的环境危害为出发点，将其高温反应嵌入到具有环境分离功能的陶瓷膜的结晶相中，以制备出低成本功能性多孔陶瓷膜，并将其应用到含油水质的处理(如图1A、图1B和图1C)。一方面进行重金属与固废/矿物的高温相变机制的研究，实现金属污染物的高效转化的同时制备出具有分离功能的多孔陶瓷膜。另一方面，在无机陶瓷膜的含油污水处理过程中，着重关注膜传质过程的工艺规律和污染物与陶瓷膜的微观作用机制。利用研究所仪器设备中心的物理化学及结构表征技术，结合实验室搭建的无机膜制备与测试平台，揭示陶瓷膜技术处理污染物的主要工艺参数的变化规律和相关机制。本项目以期能在环境污染物控制技术领域开辟新的研究方向，即环保陶瓷膜技术，为实现无机陶瓷膜技术的环境工程应用提供科学和技术参考。
本发明提供一种新型的重金属污染物转化技术，将重金属污染物高效固定于稳定的陶瓷结晶相中，并制备成具有多孔结构的功能陶瓷分离膜;将多孔陶瓷膜分离技术引入到含油废水的处理，发展“膜孔与油水体系”界面物理化学，并探索在传质过程中与油滴的微观作用机制。
