阴离子捕获剂及其制备和使用方法 技术领域
本发明涉及一种阴离子捕获剂及其制备和使用方法。
背景技术
在我国乃至世界各地，广泛存在着有毒有害阴离子造成的环境污染。一方面，对人类健康危害较大的重金属和非金属类污染物，在环境中大多呈阴离子、络阴离子或聚合阴离子形式，如CrO42-、Cr2O72-、HAsO42-、SeO32-以及带负电荷与负极性的有机化合物，如苯氧乙酸等存在；另一方面，由阴离子引起的污染难以通过自然作用被净化，因为它在环境中具有很强的迁移能力和持久的危害性。
阴离子污染主要来源于冶金、印染、电镀、化工等行业的废水排放。这些阴离子进入环境后，由于地表土壤、岩石及水系沉积物对它们的吸附能力很弱，因此能很快进入生物圈和水圈。有关报道指出阴离子的地球化学行为既是理解某些环境问题，如地下水质和放射性污水处理的重要方面，也是理解地球表面物质循环的基础。阴离子污染已成为目前全球关注的重点环境问题之一。因此，客观上迫切需要一种能阻止阴离子迁移流动的环保材料，本发明就是针对这一客观需求提出了一种阴离子捕获剂的制备和使用方法。
发明内容
本发明的目的是针对上述客观需求，提供一种阴离子捕获剂及其制备和使用方法。
本发明的阴离子捕获剂是一种具有层状结构的双金属氧化物，其化学结构通式为：MIImMIIInOx，其中MII为二价阳离子，MIII为三价阳离子，x＝m+3n/2。
本发明的阴离子捕获剂是由水滑石在400～550℃温度下加热2～4小时得到。
发明中使用地水滑石可以是市售商品或按以下步骤制备而成：
1)将铝盐溶于水中配制成浓度为0.3M的溶液，向溶液中加入克分子数2～4倍于铝盐的镁盐，搅拌直至全溶，制得盐溶液A；
2)将克分子数与镁盐相等的碳酸盐溶于水中，配成浓度为0.8M的溶液，向溶液中加入克分子数三倍于碳酸盐的碱，搅拌直至全溶，制得碱溶液B；
3)采用共沉淀法将上述A、B两种溶液同时逐滴滴入强烈搅拌着的水中；或者用水热法将两溶液快速混合，得到白色悬浮液；
4)将悬浮液放入水浴锅中，在80℃下，搅拌晶化；或者将悬浮液置于耐压容器中，在120～160℃条件下晶化；
5)将步骤4)所得产物抽滤、水洗至中性。放入烘箱中，在60～80℃下烘干，得到水滑石；
上述的铝盐可以是氯化铝、硝酸铝、硫酸铝及其水合物，所说的镁盐可以是氯化镁、硝酸镁、硫酸镁及其水合物，所说的碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水或尿素等，碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾或尿素等。
本发明的阴离子捕获剂用于处理含阴离子污染物废水，包括以下步骤：
1)分析废水中阴离子污染物的含量，计算各种阴离子的浓度；
2)将用量为待处理废水中阴离子污染物总量的5～50倍的阴离子捕获剂，加入到废水中并搅拌0.5～3小时；
3)选用沉淀、过滤、气浮等方法，使双金属氧化物与废水分离。
本发明的优点是：
1.具有层状结构的双金属氧化物作为阴离子捕获剂，通过层间阴离子交换、层状结构重建吸附环境中的阴离子的过程是不可逆的，故用它来处理废水不会造成二次污染；
2.本发明的阴离子捕获剂制备合成工艺简单，成本低廉；
3.阴离子捕获剂的调配计量也很粗放，对操作人员的技术要求不高，使用方便简单；
4.去除废水中的阴离子污染物质效果好，适用范围广泛，可广泛用于冶金、电镀、化工等行业废水的排放前处理，以及用于土壤和地下水污染的防止和修复。
具体实施方式
阴离子捕获剂能有效的去除工业废水中的阴离子污染物质，它对呈阴离子、络阴离子形式存在的污染物有很强的吸附能力，并能有效吸附水体中呈酸根形式存在的的Cr，N，P，As，Se和放射性元素，此外，阴离子捕获剂还能吸附有机污染物，如农药、酚类化合物等。
本发明提出的阴离子捕获剂是一种具有层状结构的双金属氧化物，由两种不同价态的金属氧化物组成的人工合成物，简称LDO(Layered Double Oxides)。它具有类似于水镁石(Mg(OH)2)的层状结构，其前身为水滑石类化合物，亦被称为阴离子粘土。水滑石的化学结构通式为：
[M1-xIIMxIII(OH)2]X+[Ax/nn-·mH2O]其中MII为Mg2+，Zn2+，Fe2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Ca2+等二价金属阳离子；MIII为Al3+，Fe3+，Cr3+，Co3+，Mn3+等三价金属阳离子；An-为CO32-，Cl-，NO3-，SO42-等阴离子；X＝0.5～0.17；MII/MIII＝1～5。
以上结构式可以看作是水镁石中的二价金属阳离子被三价金属阳离子部分替代的产物，为平衡结构层的正电荷，在结构层之间又充填了阴离子，此外还有水分子。水滑石在400℃～550℃下煅烧即失去层间阴离子和水分子，得到相应的双金属氧化物(LDO)。双金属氧化物的通式为：MIImMIIInOx，其中x＝m+3n/2。双金属氧化物对阴离子污染物的吸附作用机理，在于它与水接触后，具有从溶液中获取阴离子与水分子的强烈倾向，以恢复重建水滑石的结构。因此，双金属氧化物可通过层间阴离子交换、层状结构重建等机制来吸附环境中有毒有害的阴离子。可广泛用于冶金、电镀、化工等行业废水的排放前处理，以及用于土壤和地下水污染的防止和修复。作为一种简单、有效、经济的环境修复技术，阴离子捕获剂在环保事业中具有广阔的应用前景。
制备本发明阴离子捕获剂的水滑石可以是市售商品或用共沉淀法或水热法制得，水滑石的主要原料是镁盐、铝盐、烧碱和碳酸盐。其中，镁盐和铝盐可采用硫酸盐、硝酸盐和盐酸盐及其水合物。镁盐与铝盐的克分子比例，对产品的吸附性能有较大影响，一般应控制在2∶1至4∶1范围，推荐值为3∶1。在配制溶液A时，镁盐与铝盐的溶解顺序并不重要。溶液B由碳酸钠与烧碱配制而成，其中碳酸钠与镁盐克分子数相等，烧碱的克分子数是碳酸钠的三倍，二者的溶解顺序并不重要；也可以用尿素代替烧碱和碳酸盐。
共沉淀法与水热法使用的溶液相同，但将两种溶液混合的方式及晶化条件不同。共沉淀法采用滴注将两种溶液混合，需较长滴注时间及晶化时间，但所需设备简单。水热法生产流程短，但需使用压力容器，设备投资较大。
使用前需测定废水中污染物的含量，计算各种阴离子的浓度，以此作为确定阴离子捕获剂用量的依据。加入到废水中的双金属氧化物，其重量至少应五倍于阴离子总量。
双金属氧化物对阴离子的吸附反应进行迅速，一般可在半小时内完成。为使反应彻底，将其加入废水后需不断搅拌，以使阴离子捕获剂保持悬浮。反应结束后可选用常规性的沉淀、过滤、气浮等方法使双金属氧化物与废水分离。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1：制备阴离子捕获剂。
1)将0.225mol Mg(NO3)2和0.075mol Al(NO3)3溶于250mL水中配成Mg(NO3)2和Al(NO3)3的盐溶液A；
2)将0.675mol NaOH和0.225mol Na2CO3溶于250mL水中配成NaOH和Na2CO3的碱溶液B；
3)将盐液与碱液同时逐滴滴入强烈搅拌着的100mL蒸馏水中，滴加时间为4小时；
4)将悬浮液放入水浴锅中，在80℃温度下，搅拌晶化24小时；
5)将产物抽滤、水洗至中性。
6)在500℃温度下煅烧3小时，碾磨，得到Mg-Al型双金属氧化物。
实施例2：用阴离子捕获剂去除废水中的亚硒酸根离子。
1)各取一升浓度为1.27cmol/L的亚硒酸根溶液；
2)各加入实例1中制备的双金属氧化物4g；
3)在常温下搅拌20分钟；
4)静置12小时，测定溶液中的亚硒酸根含量。
经过上述吸附实验，发现溶液中的亚硒酸根离子浓度下降为0.63cmol/L，超过99.9％的亚硒酸根离子被阴离子捕获剂所吸附。
实施例3：去除废水中的除草剂MCPA
1)各取一升浓度为80.0mmol/L的含MCPA溶液；
2)各加入实例1中制备的双金属氧化物4g；
3)在常温下搅拌20分钟；
4)静置24小时，测定溶液中的MCPA浓度。
经过上述吸附实验，发现溶液中的MCPA下降为6mmol/L，超过99.9％的MCPA被阴离子捕获剂所吸附。
实施例4：去除废水中的重铬酸根离子
1)各取一升浓度分别为60mmol/L的重铬酸根溶液；
2)各加入实例1中制备的双金属氢氧化物1g；
3)在常温下搅拌20分钟；
4)静置10小时，测定溶液中的重铬酸根含量。
经过上述实验方法发现，Mg-Al型双金属氧化物对重铬酸根离子的吸附最大容量为110mmol/g。
实施例5：重复实例1的程序，只是改变pH值，可得到pH值在5.0～10.0之间吸附能力保持不变。
实施例6：重复实例2的程序，只是改变pH值，可得到pH值在5.0～7.0之间吸附能力保持不变。
实施例7：重复实例3的程序，改用不同类型的双金属氧化物，可得到[Mg3AlCl]，[Mg3AlCO3]和[Mg3AlNO3]型双金属氧化物对MCPA的吸附量分别为1.21，0.50，0.008mmol/g。