[发明专利]有机水滑石合成和废水处理一体化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及环境污染控制新材料的开发，尤其涉及一种有机水滑石合成和废水处理一体化工艺。

背景技术

层状双羟基复合金属氧化物(Layered Double Hydroxides，简称LDH)，又称水滑石，是一类重要的无机功能材料。其独特的层状结构及层板元素和层间阴离子的可调变性受到人们的广泛关注，经离子交换向层间引入新的客体阴离子可使层状结构和组成产生相应的变化，因而可以制备一大类具有特殊性质的功能材料。水滑石材料属于阴离子型层状化合物。层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物，利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性，将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。

水滑石化学结构通式为：[M²⁺_1-xM³⁺x(OH)₂]^x+[(A^n-)_x/n·mH₂O]，其中M²⁺为Mg²⁺，Ni²⁺，Mn²⁺，Zn²⁺，Ca²⁺，Fe²⁺，Cu²⁺等二价金属阴离子；M³⁺为Al³⁺，Cr³⁺，Fe³⁺，Co³⁺等三价金属阴离子；A^n-为阴离子，如CO₃^2-，NO₃^-，Cl^-，OH^-，SO₄^2-，PO₄^3-，C₆H₄(COO)₂^2-等无机和有机离子以及络合离子，当层间无机阴离子不同，水滑石的层间距不同，同时在水滑石吸附污染物之后，层间距也会增大，以容纳更多的污染物。

因其具有层间阴离子可交换性、结构坍塌记忆效应、主层板可自组装性等特点，已广泛用于高分子复合材料、催化材料、环境治理等领域。当层间无机阴离子被有机阴离子取代后，层间由亲水性变为疏水性，对有机物的吸附由吸附变为分配作用为主，吸附去除水中有机污染物的效率比原土高几十到几百倍。如SDS改性后的MgAl-LDH可有效地去除水体中三氯乙烯、四氯乙烯等(Zhao H，Nagy K.J.Colloid Interface Sci.，2004，274(2)：613-624)。根据文献报道(有机阴离子柱撑水滑石的插层组装及超分子结构，过程工程学报，2002，2(4)，355-360)，目前常用的有机水滑石的合成主要有以下几个方法：共沉淀法，焙烧复原法和离子交换法。

共沉淀法，虽然是一步合成，但由于合成过程中易于受空气中二氧化碳的污染而必须严格避免CO₂的参与，反应条件苛刻，而且需要很长的晶化时间，不利于工业化推广和应用。

焙烧复原法，利用LDHs的“记忆效应”，层柱结构得以重建，有机阴离子进入层间，得到有机阴离子柱撑水滑石。由于水滑石的结构只能部分恢复，用焙烧复原法很难得到纯的晶相结构。此外，这一方法需要对水滑石前体进行高温焙烧以及后续阶段中严格的N₂保护等苛刻的反应条件，给实际应用带来了不便。

离子交换法是制备有机阴离子柱撑水滑石的重要方法。这种方法是以易于合成的LDHs作为前体，通过离子交换将目标阴离子引入层间，得到相应的有机阴离子柱撑水滑石。通过控制离子交换的反应条件，不仅可以保持水滑石原有的层状结构，还可以对层间阴离子的种类和数量进行设计和组装，从而得到不同结构和功能的阴离子层柱状材料。

目前离子交换法制备有机阴离子柱撑水滑石并应用到废水处理中的过程可分为多个步骤：

首先需要制得水滑石，并将水滑石在酸性条件下活化，使之更易于交换，再将其分散于有机改性剂溶液中制浆，进行改性，然后经过滤、烘干、粉碎，得到有机水滑石产品。这种方法在制浆时需恒温水浴、搅拌2hr以上，耗时耗能和消耗水资源，且有产生含有大量有机酸或阴离子表面活性剂的废水，需进一步处理，此外有机水滑石的合成工艺稳定性不好，直接影响了膨润土改性的质量，这些均限制了有机水滑石在废水处理和污染环境修复中的应用。