申请日 20200608
公开（公告）日 20201103
IPC分类号 B01J20/20; B01J20/28; B01J20/30; C02F1/28; C02F101/30
摘要
本发明提供了一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：将灯心草粉末置于水热反应釜中，以水为介质，在250～290℃下水热反应2～4h后取出，过滤、洗涤、干燥，得到灯心草水热炭粉末；取三价铁盐和二价铁盐，按Fe3+与Fe2+物质的量比为1.5～2:1，配制铁离子溶液；将灯心草水热炭粉末加入到铁离子溶液中，然后缓慢滴加碱溶液，在预设温度下，陈化预设时间，然后过滤、洗涤、干燥，得到所述灯心草磁性粉体。本发明制备的灯心草磁性粉体具有原料价廉易得、比表面积高和易于回收重复使用等优点，尤其对醇类有机溶剂和水共混体系染色残液具有良好的吸附脱色作用。
权利要求书
1.一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将灯心草粉末置于水热反应釜中，以水为介质，在250～290℃下水热反应1.5～2.5h后取出，过滤、洗涤、干燥，得到灯心草水热炭粉末；
S2.取三价铁盐和二价铁盐，按Fe3+与Fe2+物质的量比为1.5～2:1，配制铁离子溶液；
S3.将步骤S1得到的所述灯心草水热炭粉末加入到步骤S2得到的所述铁离子溶液中，然后缓慢滴加碱溶液，在预设温度下，陈化预设时间，然后过滤、洗涤、干燥，得到所述灯心草磁性粉体。
2.根据权利要求1所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水热反应的温度为265～275℃。
3.根据权利要求1所述的用于染料废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述灯心草水热炭粉与四氧化三铁的质量比为1:(1～1.2)；所述四氧化三铁的质量m通过下式计算得到：
式中，n(Fe2+)表示所述铁离子溶液中Fe2+的物质的量，n(Fe3+)表示所述铁离子溶液中Fe3+的物质的量，M(Fe3O4)表示Fe3O4的摩尔质量。
4.根据权利要求1所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述二价铁盐为亚铁离子的硫酸盐、硝酸盐或氯化盐，所述三价铁盐为铁离子的硫酸盐、硝酸盐或氯化盐。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液。
6.根据权利要求5所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为10～40mg/ml。
7.根据权利要求1或5所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述预设温度为55～85℃，所述预设时间为1～8h。
8.一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项权利要求所述的制备方法制备得到。
9.一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的应用，其特征在于，所述灯心草磁性粉体用于醇类有机溶剂与水共混体系染色残液的脱色吸附处理。
10.根据权利要求9所述的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的应用，其特征在于，所述脱色吸附处理，包括如下处理步骤：
(1)配制醇类有机溶剂与水的体积比为50％:50％～98％:2％的醇类有机溶剂与水共混体系染色残液，所述醇类有机溶剂为乙醇、异丙醇或丙三醇中的一种；
(2)将步骤(1)配制的所述醇类有机溶剂与水共混体系染色残液的pH调节为3～13；
(3)将所述灯心草磁性粉体加入到步骤(2)得到的所述PH为3～13的醇类有机溶剂与水共混体系染色残液中，震荡均匀；
(4)通过磁性吸附作用将步骤(3)所述醇类有机溶剂与水共混体系染色残液中的灯心草磁性粉体吸附，实现回收再利用。
说明书
一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，尤其涉及一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体及其制备方法和应用。
背景技术
随着纺织、皮革等行业的不断发展，大量的染料废水被排放进入水体环境中，由于工业用染料种类多、成分复杂，很难从水体中清除，从而干扰和破坏水体中的生物生长环境，造成严重水体污染。因此，染料废水的处理和回收对企业的持续发展和环境保护具有重要意义。目前工业常用的染料废水处理方法主要有物理法、化学法和生物处理法。其中物理处理法中的吸附法是染料废水最直接、最有效的处理方法，广泛应用于各大企业。吸附法作为一种污水处理的方法，由于其具有成本低、效率高、操作简单、耗时短，并且还能够与其他污水治理技术相互补充应用等优点，已经得到了大规模的应用。目前，常用的吸附材料如活性炭、粘土和沸石等已被应用于处理染料废水。其中最常用的吸附剂是活性炭，但在实际应用中仍存在固液难分离，无法实现回收等缺点，亟需研发一种高效的吸附剂对他进行替代。近年来，大多吸附剂集中在微米、纳米材料的研究上，此类吸附剂具有比表面积大、吸附容量高等优点，但是也存在颗粒小，分离难，无法实现重复使用等弊端，在实际工业应用中受到了极大的限制。因此，制备高吸附性能且成本低廉的吸附材料，对研究吸附法处理染料人仍有重要意义。
灯心草是灯心草科灯心草属的多年生草本植物，是民间传统中药。本属植物分布广泛，资源丰富，目前对其化学和药理研究较多，忽略了灯心草为天然多孔纤维素纤维这一优异性能。灯心草多孔纤维材料是天然的纤维素低密度多孔材料，其具有优异的比表面积和孔隙率，具有优异的吸附性能，能够有效地吸附液体、微小颗粒等物质。灯心草多孔天然纤维素纤维具有高比表面积、高孔隙率和低密度等优势，在吸附、隔热等方面有较大的前景。
公开号为CN109485042A的中国发明专利公开了一种基于通草/灯心草互联多孔结构的活性炭材料的制备方法，将通草或灯心草置于高温炉中，通惰性气体、炭化，得到通草或灯心草基碳材料；将通草或灯心草基碳材料与活化剂混合浸渍、烘干、研磨得到混合物；将混合物在惰性气体保护下在300-900℃处理0.5-8h，自然冷却至室温，再使用HCl和去离子水反复的冲洗过滤至pH为7，最后干燥，得到基于通草和灯心草制备的多层次孔道活性炭，总比表面积为可达3000m2/g以上。
公开号为CN109482154A的中国发明专利公开了一种染料吸附材料的制备方法，通过醇类有机溶剂洗涤灯心草，并用壳聚糖改性灯心草。本发明采用的灯心草纤维具有三维多孔结构，高比表面积、高孔隙率，有良好的吸附性能，通过本发明的壳聚糖改性方法能够有效利用灯心草的多孔结构，提高灯心草纤维对壳聚糖的吸附量，同时减少了吸附材料基体的制备，制备的壳聚糖改性灯心草纤维材料性能稳定，对染液有良好的吸附性能。
公开号为CN109651644A的中国发明专利公开了一种β-环糊精接枝改性灯心草脱除有色涤纶中分散染料的方法，将β-环糊精、柠檬酸、次磷酸钠和乙醇加入水中，搅拌混合以获得混合溶液，将灯心草加入所述混合溶液中，在回流温度下进行反应，得到β-环糊精接枝改性灯心草。使用制备的β-环糊精接枝改性灯心草对其中分散有分散染料的有色涤纶溶液进行吸附，可以充分脱除有色涤纶中的分散染料，从而实现有色涤纶废料的回收利用。但该方法仍存在颗粒小、分离难、无法实现重复使用等问题。
公开号为CN106049097A的中国发明专利公开了一种乙醇-水体系染色残液回收利用的方法，通过对收集的乙醇-水体系染色残夜进行中和处理和定性分析，并对中和的残液补充少量新料以配制成新的染液，再次用于纺织品的染色。此方法虽然一定程度上实现了乙醇-水体系染料残液的再利用，但随着重复使用的次数增加，染料残液中失活染料量逐渐增加，染色性能随之降低，因此此种方法并不能从根本上解决染色残液中染料的回收。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，对灯心草粉体进行水热炭化处理，然后与磁性粉体进行复合，制备得到高比表面积、易于回收重复使用的灯心草磁性粉体，对醇类与水共混染色体系中的染料废水具有较高的吸附率。
本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体。
本发明的目的还在于提供一种灯心草磁性粉体在醇类与水共混染色体系染色残液中的应用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，包括以下步骤：
S1.将灯心草粉末置于水热反应釜中，以水为介质，在250～290℃下水热反应1.5～2.5h后取出，过滤、洗涤、干燥，得到灯心草水热炭粉末；
S2.取三价铁盐和二价铁盐，按Fe3+与Fe2+物质的量比为1.5～2:1，配制铁离子溶液；
S3.将步骤S1得到的所述灯心草水热炭粉末加入到步骤S2得到的所述铁离子溶液中，然后缓慢滴加碱溶液，在预设温度下，陈化预设时间，然后过滤、洗涤、干燥，得到所述灯心草磁性粉体。
优选地，在步骤S1中，所述水热反应的温度为265～275℃。
优选地，在步骤S3中，所述灯心草水热炭粉与四氧化三铁的质量比为1:(1～1.2)；所述四氧化三铁的质量m通过下式计算得到：
式中，n(Fe2+)表示所述铁离子溶液中Fe2+的物质的量，n(Fe3+)表示所述铁离子溶液中Fe3+的物质的量，M(Fe3O4)表示Fe3O4的摩尔质量。
优选地，在步骤S2中，所述二价铁盐为亚铁离子的硫酸盐、硝酸盐或氯化盐，所述三价铁盐为铁离子的硫酸盐、硝酸盐或氯化盐。
优选地，在步骤S3中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液。
优选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为10～40mg/ml。
优选地，在步骤S3中，所述预设温度为55～85℃，所述预设时间为1～8h。
本发明还提供一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体，采用以上所述的制备方法制备得到。
本发明还提供一种用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的应用，所述灯心草磁性粉体用于醇类有机溶剂与水共混体系染色残液中的脱色吸附处理。
进一步的，所述脱色吸附处理包括如下处理步骤：
(1)配制醇类有机溶剂与水的体积比为50％:50％～90％:10％的醇类有机溶剂与水共混体系染色残液，所述醇类有机溶剂为乙醇、异丙醇或丙三醇中的一种；
(2)将步骤(1)配制的所述醇类有机溶剂与水共混体系染色残液的pH调节为3～13；
(3)将所述灯心草磁性粉体加入到步骤(2)得到的所述PH为3～13的醇类有机溶剂与水共混体系染色残液中，震荡均匀；
(4)通过磁性吸附作用将步骤(3)所述醇类有机溶剂与水共混体系染色残液中的灯心草磁性粉体吸附，实现回收再利用。
有益效果
与现有技术相比，本发明提供的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体及其制备方法和应用具有如下有益效果：
(1)本发明提供的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，选取资源丰富、具有优异的比表面积和孔隙率的灯心草为基体吸附材料，首先将灯心草粉末水热炭化，发生水解、脱水、脱羧等反应，在其表面形成富含活性氧基团、高比表面积、尺寸可控的球状结构的固体产物，具有良好的吸附性能；然后通过磁性活化过程，将灯心草水热炭粉末与磁性粉体复合，灯心草水热炭表面的活性氧基团也有助于提高Fe3O4的负载量和负载牢度，获得负载有Fe3O4的灯心草磁性粉体，灯心草水热炭表面的吸附位点显著增加，具有比一般吸附剂更好的吸附性能，而且可通过外加磁场的方式实现固液分离并加以回收再利用，减少对水体的二次污染。
(2)本发明通过将灯心草在250～290℃下水热反应2～4h，灯心草通过水热合成过程，发生水解、脱水、脱羧等反应，并形成核-壳型碳球结构，其表面含有丰富的活性氧基团，例如羟基、酚基、羰基和羧基等，可以大大提高亲水性和化学反应性。因此，在处理染料废水时，其高比表面积和多孔结构能够提高染料吸附量；其表面丰富的活性氧基团能够与废水中的染料等污染物形成氢键或静电等结合，从而提高吸附率和吸附效率。
(3)本发明提供的用于染色废水处理的灯心草磁性粉体的制备方法，灯心草水热炭在水溶液环境中反应制备，使得其可以拥有更多的表面官能团，不会因为温度过高遭到破坏。而且以灯心草和水为原料，耗能少，CO2的释放量低，因此对环境友好，并且其表面具有丰富的表面官能团，有助于提高其对水的亲和性，从而提高在水中的分散性。
(4)本发明用于染色废水处理的灯心草磁性粉体具有高比表面积和高孔隙率，且富含活性氧基团，用于染料废水的处理时，吸附率最高可达98％以上，吸附量可达到150mg/g，磁性作用有利于快速将粉体回收，不会对水体造成二次污染，在醇类染色体系中有利于醇类有机溶剂的回收。
(5)本发明对灯心草进行水热炭化处理，并与磁性粉体进行复合，粉体技术的应用显著提高了所制备吸附材料的比表面积，磁性技术的应用有利于回收重复使用的灯心草磁性粉体。此外，本发明实现了灯心草纤维的废弃再利用，使得废弃灯心草纤维被最大化利用，磁性灯心草粉体在醇类有机溶剂与水混合体系中具有优良的吸附染料的性能，从根本上解决了醇类有机溶剂-水体系中的染料回收。
发明人 （夏良君;周思婕;付专;张春华;王阿明;徐卫林;）
