採用低能粒子改性粉煤灰的方法

2023-10-25 09:34:52

採用低能粒子改性粉煤灰的方法
【專利摘要】本發明提供了一種採用低能粒子改性粉煤灰的方法，包括通過以較低能量、一定劑量的離子束輻照粉煤灰顆粒，並持續一定的時間，得到改性粉煤灰的步驟。採用本發明的改性方法，可以破壞粉煤灰的粗大多孔的玻璃體，解除其粘結，改善表面物理活性；而且可以破壞玻璃體表面的保護膜，致使內部SiO2、Al2O3溶出斷鍵增多，活化組分增加，提高其化學活性。
【專利說明】採用低能粒子改性粉煤灰的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種材料改性【技術領域】，特別是一種採用低能粒子改性粉煤灰的方法。
【背景技術】
[0002]我國粉煤灰年排放總量已超過2億t，但利用率低於50%。而且由於堆放佔用了大量的土地資源，尤其容易汙染空氣，形成霧霾。因此，如何使粉煤灰「變廢為寶」，有著重要的學術和經濟意義。粉煤灰的組成是高效絮凝劑的主要化學成分Al、S1、Fe ;而且，由於多孔顆粒形狀使其比表面積較大，顆粒分散性能奠定了在水處理中的應用基礎。但是用粉煤灰處理廢水存在吸附容量有限的問題。由於化學改性方法大部分只能對粉煤灰顆粒表面進行活化，沒有對粉煤灰顆粒的內部結構進行充分的處理和利用，從而使提高粉煤灰的吸附容量成為工業大規模利用的關鍵。因此，對粉煤灰進行表面和內部有效改性，能極大地提高粉煤灰的吸附容量。
[0003]目前，常用的粉煤灰改性方法有:酸改性、鹼改性、鹽改性等。如:將粉煤灰用7M的NaOH經水熱處理製得沸石的比表面積是原灰的8倍，對陽離子性染料的吸附量是原灰的10倍；利用粉煤灰和過氧化氫聯合處理印染廢水，可以對印染廢水脫色和去除COD ;用硫酸處理粉煤灰，可以增強粉煤灰的吸附能力。這些化學改性方法都是粉煤灰通過與化學表面改性劑的混合、攪拌、烘乾、碾碎等過程，將粉煤灰的鬆脆多孔結構以及一些粘連體、薄壁空心微珠、碳粒等進行打散，成為較密實的細屑顆粒和個體徽珠，改善微珠表面結構，使得改性後的粉煤灰具有了物理吸附和化學混凝雙重作用，並使之吸附能力和混凝作用增強。然而，上述粉煤灰改性方法大多局限於粉煤灰顆粒外表面的活化，未對粉煤灰顆粒內部進行有效的激活，因此，如果能利用一定的物理方法同時對粉煤灰的內部及外部實施改造，使得改性後的粉煤灰結構和組成發生有效改變，將有助於提高粉煤灰的吸附性能，進而提高其吸附容量。
[0004]因此仍舊需要一種全新的方法，同時對粉煤灰的內部及外部實施改造，使得改性後的粉煤灰結構和組成發生有效改變，提高粉煤灰的吸附性能，進而提高其吸附容量。本發明的發明人通過實驗研究發現，離子束輻照粉煤灰能將較規則的粉煤灰球形顆粒被擊破，使其內部空間被充分地釋放，比表面積增大，從而完成了本發明。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種新的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，利用該粒子輻照的物理方法同時對粉煤灰的內部及外部實施改造，使得改性後的粉煤灰結構和組成發生有效改變，提高粉煤灰的吸附性能，進而提高其吸附容量。
[0006]為實現以上本發明的目的，本發明採用如下的技術方案:
[0007]—種採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於包括通過以較低能量、一定劑量的離子束輻照粉煤灰顆粒，並持續一定的時間，得到改性粉煤灰的步驟。[0008]其中，所述粉煤灰顆粒為珠狀顆粒或渣狀顆粒，且所述輻照是在粉煤灰運動條件下進行；進一步地，所述珠狀顆粒為空心玻珠(漂珠)、厚壁、實心微珠、鐵珠、炭粒、不規則玻璃體或多孔玻璃體。
[0009]其中，所述較低能量選自5?50keV，優選地，所述較低能量選自10?14keV。
[0010]其中，所述一定劑量選自600X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions /cm2 ;優選地，所述一定劑量選自 900X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
[0011]其中，所述離子束為氮離子束、氦離子束、氬離子束；優選地，所述離子束為氮離子束。
[0012]其中，所述輻照時間為粉煤灰運動條件下10?15分鐘。
[0013]根據本發明的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，能同時對粉煤灰的內部及外部實施改造，使得改性後的粉煤灰結構和組成發生有效改變，提高粉煤灰的吸附性能，進而提高其吸附容量。
[0014]根據本發明的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，用較低能量、一定劑量的氮離子束輻照粉煤灰中空心玻珠(漂珠)、厚壁及實心微珠(沉珠)、鐵珠(磁珠)、炭粒、不規則玻璃體和多孔玻璃體等，通過離子束的刻蝕可以提高粉煤灰的活性。這是因為離子束輻照中許多較規則的粉煤灰球形顆粒被擊破，內部空間被釋放，比表面積增大；一些顆粒則在表面凹陷、縮松。因此，離子束對粉煤灰的玻璃體破壞，玻璃顆粒粘結的解除，使其表面特性改善，物理活性提高；而且，多孔顆粒粘結的破壞使玻璃體表面堅固的保護膜破裂，使其內部SiO2, Al2O3斷鍵加劇，活化組分增加，從而提高粉煤灰化學活性。
[0015]根據本發明的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，通過離子束輻照的物理改性方法，操作簡單，且無需使用酸或鹼，環境友好，改進後的粉煤灰吸附性能大大提升。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例中離子束刻蝕前後粉煤灰的SEM譜圖，其中(a)為未經刻蝕的粉煤灰；(b)為刻蝕後的粉煤灰。
【具體實施方式】
[0017]下面結合更具體的實施方式對本發明做進一步展開說明，但需要指出的是，本發明的採用低能粒子改性粉煤灰的方法並不限於這種具體的輻照條件。對於本領域技術人員顯然可以理解的是，以下的說明內容即使不做任何調整或修正，也可以直接適用於在此未指明的其他輻照條件。
[0018]一種採用低能粒子改性粉煤灰的方法，通過以較低能量、一定劑量的離子束輻照粉煤灰顆粒，並持續輻照一定的時間，得到改性的粉煤灰。在具體的實施方案中，輻照是在粉煤灰運動的條件下進行。其中，離子束由離子發生器產生。離子束的形成機制和裝置均可參考現有技術，本發明的創新在於選用不同的離子束對粉煤灰進行輻照改性。並通過選用不同種類、能量和劑量的離子分別輻照處理粉煤灰。統計分析離子束作用於粉煤灰產生的形貌、粒徑分布、比表面積、組成以及有效化學成分(Si02、Al2OyFe2O3等)溶出斷鍵等參數的變化，確定對粉煤灰的最優離子束改性條件。
[0019]改性後的粉煤灰通過對廢水中無機離子Zn2+、Cr3+、Cu2+、pb2+去除率試驗測試其吸附性能，具體的測試及表徵方法如下。
[0020]用改性好的粉煤灰分別處理含無機離子Zn2+、Cr3+、Cu2+、pb2+的廢水:在燒杯中加入2g粉煤灰，再加入IOg廢水，使粉煤灰與廢水質量比為1: 5，室溫下攪拌30min，然後過濾得到清液，用滴定法計算出殘留離子，即可得離子的去除率。按上述的檢測方法對不同離子吸附的結果進行檢測。
[0021](I)Zn2+的檢測:取上述得到的清液在300mL燒杯中加水稀釋到IOOmL,加氨水至pH=8，加IOmL氨-氯化銨緩衝液(pH=10)，加3滴鉻黑T指示劑(5g / L)滴定至純藍。根據所用EDTA (c=0.01mol / L)標準溶液體積可計算出Zn2+濃度，即可得Zn2+總量，在根據起始總量計算去除率。
[0022]⑵Cr3+的檢測:取上述得到的含Cr3+清液在250mL碘量瓶中加水稀釋到25mL，加2g碘化鉀及20mL硫酸溶液(c=2mol / L),在暗處放置IOmin,加IOOmL水,用標準硫代硫酸鈉溶液(c=0.005mol / L)滴定，近終點加2mL澱粉指示液(10g / L)滴定至亮綠色。根據所用標準硫代硫酸鈉溶液體積可計算出Cr3+濃度，即可得Cr3+總量，在根據起始總量計算去除率。
[0023](3) Cu2+的檢測:取上述得到的清液在300mL錐形瓶中加水稀釋到150mL，加1.5mL氨-氯化銨緩衝液(pH=10),加0.2g紫脲酸銨混合指示劑,用EDTA (c=0.01mol / L)標準溶液標定，滴定至玫瑰紅色。根據所用EDTA標準溶液體積可計算出Cu2+濃度，即可得Cu2+總量，在根據起始總量計算去除率。
[0024](4)pb2+的檢測:取上述得到的清液加水稀釋到IOOmL,加5g六次甲基四胺，2滴二甲酚橙指示劑(5g / L)，用EDTA(c=0.01mol / L)標準溶液滴定至亮黃色。根據所用EDTA標準溶液體積可計算出Pb2+濃度，即可得pb2+總量，在根據起始總量計算去除率。
[0025]下面將通過更具體的實施例解釋說明本發明的改性方法，但其不對本發明構成任何限制。
[0026]實施例1
[0027]採用121^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰經SEM分析比對，如圖1所示。與未離子束輻照改性的粉煤灰相比，可以發現許多較規則的粉煤灰球形顆粒被擊破，內部空間被釋放。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分別達到 92.01%,92.44%,91.84%,93.73%。
[0028]對比例I
[0029]通過平行試驗，測試未改性的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分別達到 74.08%,70.02%,68.54%,78.05%。
[0030]對比例2
[0031]通過常規酸改性的粉煤灰，測試其吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、pb2+、Cr3+去除率分別達到 84.07%,82.42%,79.84%,88.03%。
[0032]實施例2
[0033]採用IOkeV的能量、 900X2.0X 1013ions / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到78.03%,73.11%,71.35%,79.91%。
[0034]實施例3
[0035]採用101^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到83.11%,82.20%,80.73%,87.62%。
[0036]實施例4
[0037]採用101^的能量、1100\2.0父101310118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到86.41%,83.14%,82.60%,90.17%。
[0038]實施例5
[0039]採用121^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到92.01%,92.44%,91.84%,93.73%。
[0040]實施例6
[0041]採用12keV的能量、1100X2.0X1013ions / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到92.04%,92.94%,91.33%,93.29%。
`[0042]實施例7
[0043]採用141^的能量、1000\2.0父1013丨0118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到92.10%,92.47%,91.30%,92.08%。
[0044]實施例8
[0045]採用141?^的能量、1100\2.0\1013丨0118 / cm2劑量的氮離子束，輻照時間在粉煤灰運動(翻動)條件下10分鐘，得到的改性粉煤灰。通過前述方法測試改性後的粉煤灰吸附性能，廢水中無機離子Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cr3+去除率分別達到92.07%,92.39%,91.80%,92.47%。
[0046]上述交叉試驗中，輻照時間統一為10分鐘(試驗中足夠)，但不限於此，適當延長輻照時間也可以得到相同或更好的改性效果，例如輻照時間為10~15分鐘。初選出 10keV、12keV、14keV 的能量和 900X2.0X 1013ions / cm2、1000X2.0X 1013ions /cm2、1100X2.0X1013ions / cm2劑量，交叉試驗中逐步退化掉IOkeV和14keV的能量及900X2.0 X1013ions / cm2 和 1100 X 2.0 X 1013ions / cm2 劑量，最終優化出參數:輻照時間10分鐘，12keV的能量和1000X2.0X1013ions / cm2劑量的氮離子。
[0047]儘管上文對本發明的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據本發明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於包括通過以較低能量、一定劑量的離子束輻照粉煤灰顆粒，並持續一定的時間，得到改性粉煤灰的步驟。
2.根據權利要求1所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述粉煤灰顆粒為珠狀顆粒或渣狀顆粒，且所述輻照是在粉煤灰運動條件下進行。
3.根據權利要求2所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述珠狀顆粒為空心玻珠、厚壁、實心微珠、鐵珠、炭粒、不規則玻璃體或多孔玻璃體。
4.根據權利要求1或3所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述較低能量選自5?50keVo
5.根據權利要求4所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述較低能量選自10?14keV0
6.根據權利要求1或3所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述一定劑量選自 600X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
7.根據權利要求6所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述一定劑量選自 900X2.0X 1013ions / cm2 ?1100X2.0X 1013ions / cm2。
8.根據權利要求1或3所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述離子束為氮離子束、氦離子束、氬離子束。
9.根據權利要求8所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述離子束為氮離子束。
10.根據權利要求1或3所述的採用低能粒子改性粉煤灰的方法，其特徵在於所述輻照時間為粉煤灰運動條件下10?15分鐘。
【文檔編號】B01J20/30GK103816871SQ201410070094
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】吳從兵, 萬義周 申請人:吳從兵, 萬義周