一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物及制备方法
阅读说明：本技术 一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物及制备方法 (Silicon dioxide aerogel amination graft and preparation method thereof ) 是由 牛云辉 卢忠远 李军 唐乾坤 于 2021-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了本发明提供了一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物及制备方法,包括二氧化硅气凝胶制备以及二氧化硅氨基化步骤。本发明提供的一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物极其制备方法,用以配置能与水中的Mn～(2+)、Hg～(2+)、Ni～(2+)、Cu～(2+)、Pb～(2+)、Cd～(2+)、Cr～(3+)、Zn～(2+)、Fe～(2+)/Fe～(3+)等重金属离子迅速反应、结合成大的沉淀的重金属捕捉剂,将重金属离子从废水中分离。该重金属捕捉剂合成方法简单,可直接投入水中,且处理加药量少,反应生成的较大颗粒沉淀物,对高低浓度均能达到处理效果,其中对于含有高浓度的废水一次处理即可达到排放标准。(The invention discloses a silicon dioxide aerogel amination graft and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the steps of silicon dioxide aerogel preparation and silicon dioxide amination. The invention provides a silicon dioxide aerogel amination graft and a preparation method thereof, which are used for preparing Mn capable of reacting with Mn in water 2+ 、Hg 2+ 、Ni 2+ 、Cu 2+ 、Pb 2+ 、Cd 2+ 、Cr 3+ 、Zn 2+ 、Fe 2+ /Fe 3+ The heavy metal ions react rapidly to combine into a large precipitated heavy metal trapping agent, and the heavy metal ions are separated from the wastewater. The heavy metal trapping agent has simple synthesis method, can be directly put into water, has small dosage, can treat large particle precipitates generated by reaction, can achieve the treatment effect on high and low concentrations, and can achieve the discharge standard by treating wastewater containing high concentration at one time.)
技术领域
本发明涉及废水水处理领域领域，尤其涉及一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物及制备方 法。
背景技术
近年来国家环保政策和法规都相应地收紧，废水排放标准逐渐提高。随着现代工业以及 城市化进程的快速发展，重金属废水的产生量日益增加，重金属污染的环保机构、科研单位 等投入了大量时间、金钱去研究怎样才能有效处理，达成共识的的最有效、成本最低的处理 方法为化学沉淀法，化学沉淀法所涉及的重捕剂因设备要求简单，而成为治理重金属废水的 主要手段之一。但是这种传统方法存在有以下缺陷：
(1)调碱去除重金属的方法使用时，一般需将pH值控制在10以上，这个值高于排放标 准，所以在分离玩沉淀后还需将滤液pH调至6～9才能排放；
(2)当废水中两性金属存在时，在过高pH下生成的沉淀有返溶的倾向，过低又处理不到 排放标准；
(3)废水中某些成分跟重金属离子形成非常稳定的络合物，其稳定性还在重金属的氢氧化 物的稳定性之上，通过这种调碱的方法无法除去这些稳定的重金属络合物；
(4)重金属离子的氢氧化物，会随着pH值的降低返溶，造成水体的二次污染。
(5)目前市场上重金属捕捉剂使用范围广，对低浓度的重金属效果并不佳，对于高浓度废 水，一次性处理不能达标，需循环处理才能达到排放标准。同时市面上现有重捕剂存在处理 时单位用量多的情况。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物制备方法， 包括以下步骤：
S1、将水玻璃和水离子水均匀混合，加入酸调节溶液PH至3-4，充分水解溶液中的硅酸 钠，加入乙醇、干燥控制化学添加剂搅拌后得到均匀混合溶液；
S2、向得到的均匀混合溶液中加入氨水，调节PH至7-8进行凝胶化反应，得到二氧化硅 凝胶；
S3、利用去离子水对制备的二氧化硅凝胶进行洗涤，除去二氧化硅凝胶中的杂质；
S4、将去除杂质后的二氧化硅凝胶浸入硅醇盐和无水乙醇的混合溶液中进行老化处理；
S5、利用无水乙醇对老化处理后的二氧化硅凝胶进行洗涤，在常压干燥条件下制备得到 二氧化硅气凝胶；
S6、将制备得到的二氧化硅气凝胶和3-氨丙基三甲氧基硅烷混合并加入甲苯并搅拌30 分钟形成均相溶液，并用氮气吹扫均相溶液30-40分钟；
S7、将装有上述步骤S6得到的均相溶液的玻璃烧瓶在80℃的油浴中反应6.5～8.5小时后， 冷却至室温；
S8、将上述步骤S7反应得到的溶液进行抽滤，并用甲苯和乙醇进行洗涤，获得滤饼在 75℃下真空干燥5～12小时，得到氨基功能化的SiO2-(NH2)n。
进一步的，所述的调节溶液的酸为乙二酸。
进一步的，所述的干燥控制化学添加剂为甲酰胺、乙二醇、丙三醇、二甲基甲酰胺中的 一种。
进一步的，所述的步骤S1中水玻璃、去离子水、乙醇及干燥控制化学添加剂四种溶液的 体积比为1：(4～7)：(0.45～0.65)：(0.7～1.2)。
进一步的，所述的硅醇盐包括正硅酸甲酯或正硅酸乙酯中的一种或两种。
进一步的，所述的步骤S4进行老化处理中二氧化硅凝胶、硅醇盐及乙醇溶液的体积比为 1：(0.15～0.32)：(0.45～0.67)。
进一步的，所述的老化处理的时间为24-48小时。
进一步的，所述的步骤S5中进行干燥是在35℃下干燥处理5-8小时，然后在60℃下干 燥4-12小时。
进一步的，所述的二氧化硅气凝胶、3-氨丙基三甲氧基硅烷和甲苯物质的量比为1： (10～35)：(17～20)。
另一方面，本发明提供一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物，采用上述二氧化硅气凝胶氨 基化接枝物制备方法；其中，所述二氧化硅气凝胶氨基化接枝物由水玻璃、去离子水、乙醇、 干燥控制化学添加剂、硅醇盐、3-氨丙基三甲氧基硅烷和甲苯制备而成。
本发明的有益效果：本发明提供的一种二氧化硅气凝胶氨基化接枝物极其制备方法，用 以配置能与水中的Mn2+、Hg2+、Ni2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Cr3+、Zn2+、Fe2+/Fe3+等重金属离子迅 速反应、结合成大的沉淀的重金属捕捉剂，将重金属离子从废水中分离。该重金属捕捉剂合 成方法简单，可直接投入水中，且处理加药量少，反应生成的较大颗粒沉淀物，对高低浓度 均能达到处理效果，其中对于含有高浓度的废水一次处理即可达到排放标准。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方 式。
SiO2-(NH2)n制备：
(1)二氧化硅气凝胶制备步骤：
二氧化硅气凝胶氨基化接枝物制备方法，包括以下步骤：
S1、将水玻璃和水离子水均匀混合，加入酸调节溶液PH至3-4，充分水解溶液中的硅酸 钠，加入乙醇、干燥控制化学添加剂搅拌后得到均匀混合溶液；
S2、向得到的均匀混合溶液中加入氨水，调节PH至7-8进行凝胶化反应，得到二氧化硅 凝胶；
S3、利用去离子水对制备的二氧化硅凝胶进行洗涤，除去二氧化硅凝胶中的杂质；
S4、将去除杂质后的二氧化硅凝胶浸入硅醇盐和无水乙醇的混合溶液中进行老化处理；
S5、利用无水乙醇对老化处理后的二氧化硅凝胶进行洗涤，在常压干燥条件下制备得到 二氧化硅气凝胶；
(2)二氧化硅氨基化步骤：
S6、将制备得到的二氧化硅气凝胶和3-氨丙基三甲氧基硅烷混合并加入甲苯并搅拌30 分钟形成均相溶液，并用氮气吹扫均相溶液30-40分钟；
S7、将装有上述步骤S6得到的均相溶液的玻璃烧瓶在80℃的油浴中反应6.5～8.5小时后， 冷却至室温；
S8、将上述步骤S7反应得到的溶液进行抽滤，并用甲苯和乙醇进行洗涤，获得滤饼在 75℃下真空干燥5～12小时，得到氨基功能化的SiO2-(NH2)n。
需要说明的是，所述的调节溶液的酸为乙二酸；所述的干燥控制化学添加剂为甲酰胺、 乙二醇、丙三醇、二甲基甲酰胺中的一种；所述的步骤S1中水玻璃、去离子水、乙醇及干燥 控制化学添加剂四种溶液的体积比为1：(4～7)：(0.45～0.65)：(0.7～1.2)；所述的硅醇盐包括正 硅酸甲酯或正硅酸乙酯中的一种或两种；所述的步骤S4进行老化处理中二氧化硅凝胶、硅醇 盐及乙醇溶液的体积比为1：(0.15～0.32)：(0.45～0.67)；所述的老化处理的时间为24-48小时； 所述的步骤S5中进行干燥是在35℃下干燥处理5-8小时，然后在60℃下干燥4-12小时；所 述的二氧化硅气凝胶、3-氨丙基三甲氧基硅烷和甲苯物质的量比为1：(10～35)：(17～20)。
基于上述制备方法，所述二氧化硅气凝胶氨基化接枝物，由水玻璃、去离子水、乙醇、 干燥控制化学添加剂、硅醇盐、3-氨丙基三甲氧基硅烷和甲苯制备而成。
重金属捕捉剂制备：
重金属捕捉剂的制备方法，包括以下步骤：将SiO2-(NH2)n配成质量溶度为20％～35％的甲 醇溶液，降温至4～10℃，在搅拌状态下滴加质量溶度为40％～50％的二硫化碳甲醇溶液；升温 至25～30℃，搅拌反应2～3.5h，抽滤、无水醇洗涤1-2次，干燥得到不溶性白色固体重捕剂； 将干燥好不溶性白色固体重捕剂与质量浓度为20％～30％的碱溶液置混合，升温至50～60℃， 反应2h，得到淡黄色液态重捕剂。
需要说明的是，所述的二硫化碳甲醇溶液滴加速度为2-7滴/秒；所述的无水醇类为无水 乙醇或甲醇。
基于上述制备方法，重金属捕捉剂由由SiO2-(NH2)n、二硫化碳、氢氧化物、醇类、水组成。 其中，各组分的重量比为：SiO2-(NH2)n：2.5～4；二硫化碳：27-30；氢氧化物：7-9；醇类：38-47； 水：24-30；所述的SiO2-(NH2)n为二氧化硅气凝胶氨基化接枝物，所述二氧化硅气凝胶氨基化 接枝物中n的值为10-30的自然数，所述二氧化硅气凝胶颗粒粒径为10-60微米；所述的醇 类采用甲醇、乙醇、正丁醇、异丁醇、丙醇、异丙醇中的一种或两种以上混合物；所述的氢 氧化物采用氢氧化钠和氢氧化钾的一种或两种任意比例混合物。
重金属沉淀：
重金属捕捉剂投放，包括以下步骤：
①实际使用前，可根据上述流程做规模为一升的小试。
②处理废水时将pH值调整到6-9之间，处理效果更佳。
③检测废水中重金属离子含量，通过废水模拟加药实验决定药剂投入量。
④药剂可以连续或分批加入至废水中，充分搅拌，搅拌时间约25分钟。
⑤药剂充分反应后，加入适量的聚合氯化铝(PAC)和高分子量的聚丙烯酰胺(PAM)沉淀效果更佳。
⑥过滤分离出沉淀物，过滤后的水即为达标的水。
具体的，现提供多个实施例用以说明本发明的实现过程。
实施例一：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：2.8g；
二硫化碳的甲醇溶液：80.4g；
氢氧化钾溶液：40g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将2.8gSiO2-(NH2)18配成质 量浓度为20％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以2滴/每秒的速 度向反应釜中滴加80.4g质量浓度为27％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应2小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末和 40g质量浓度为20％的氢氧化钾溶液一起投入反应釜中在50℃条件下搅拌反应1.5小时，即 得淡黄色液态重捕剂。
实施例一中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.3683
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.1931
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.043
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.014
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.2365
2
实施例二：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：1.7g；
二硫化碳的甲醇溶液：100g；
氢氧化钾溶液：65g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将1.7gSiO2-(NH2)30配成质 量浓度为20％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以2滴/每秒的速 度向反应釜中滴加100g质量浓度为20％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应2小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末和 65g质量浓度为20％的氢氧化钾溶液一起投入反应釜中在55℃条件下搅拌反应2小时，即得 淡黄色液态重捕剂。
实施例二中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.0651
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.6901
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.203
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.02
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.1302
2
实施例三：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：2.4g；
40％二硫化碳的甲醇溶液：49g；
20％氢氧化钠溶液：29g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将2.4gSiO2-(NH2)22配成质 量浓度为25％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以2滴/每秒的速 度向反应釜中滴加49g质量浓度为40％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应2小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末和 29g质量浓度为20％的氢氧化钠溶液一起投入反应釜中在52℃条件下搅拌反应1.5小时，即 得淡黄色液态重捕剂。
实施例三中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.1001
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.318
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.11
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.05
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.414
2
实施例四：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：4.2g；
45％二硫化碳的甲醇溶液：68g；
25％氢氧化钠溶液：33g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将4.2gSiO2-(NH2)12配成质 量浓度为20％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以2滴/每秒的速 度向反应釜中滴加68g质量浓度为45％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应1.5小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末 和33g质量浓度为25％的氢氧化钠溶液一起投入反应釜中在60℃条件下搅拌反应2小时，即 得淡黄色液态重捕剂。
实施例四中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.41
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.53
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.05
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.05
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.614
2
实施例五：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：5.6g；
50％二硫化碳的甲醇溶液：78g；
20％氢氧化钠溶液：52g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将5.6gSiO2-(NH2)10配成质 量浓度为25％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以3滴/每秒的速 度向反应釜中滴加78g质量浓度为50％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应2小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末和 52g质量浓度为20％的氢氧化钠溶液一起投入反应釜中在50℃条件下搅拌反应2小时，即得 淡黄色液态重捕剂。
实施例五中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.011
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.4506
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.008
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.001
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.114
2
实施例六：
按重量选取原料：
SiO2-(NH2)n：5.6g；
50％二硫化碳的甲醇溶液：78g；
20％氢氧化钾溶液：72g。
制备过程具体为：使用500g的带温度控制的小型密闭反应釜，将5.6gSiO2-(NH2)10配成质 量浓度为25％的甲醇溶液投入反应釜中；降低温度至10℃，在搅拌状态下，以3滴/每秒的速 度向反应釜中滴加78g质量浓度为50％二硫化碳的甲醇溶液，滴加完毕后，升温至室温25℃， 继续搅拌反应2小时；两小时后，抽滤，用无水乙醇洗涤3次得到白色粉末；将白色粉末和 72g质量浓度为20％的氢氧化钾溶液一起投入反应釜中在50℃条件下搅拌反应2小时，即得 淡黄色液态重捕剂。
实施例六中重金属捕捉剂的使用效果：配制铜、锌、铅、镉、猛离子溶液，用原子吸收 分光光度计分别测出初始浓度和一次处理后的离子浓度，详见下表。
离子种类
初始浓度(mg/L)
一次处理后浓度(mg/L)
排放标准(mg/L)
Cu<sup>2+</sup>
338.35
0.147
2
Zn<sup>2+</sup>
465.45
0.2686
5
Pb<sup>2+</sup>
210.7
0.005
0.5
Cd<sup>2+</sup>
470.6
0.001
0.05
Mn<sup>2+</sup>
428.15
0.617
2
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员 应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的 原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界 定。
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