[发明专利]一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于吸附材料技术领域，特别涉及一种载镧磁性碳气凝胶微球除氟吸附剂及制备方法。

背景技术

氟是人体必需的微量元素之一，在人体中主要分布与骨骼和牙齿中。适量的氟能增强骨骼的坚固性，有一定的防治龋齿功效。成人每日氟化物的摄入量一般为1.0-1.5mg，饮用水适宜的氟质量浓度为0.5-1.0mg/L。但是摄入的氟过多又会损害人体健康，引发氟斑牙和氟骨症，严重的可引起人体腰腿酸疼，关节僵硬，驼背甚至截瘫，还可以引起甲状腺功能失调，肾功能障碍等。

高氟水在我国分布广泛，遍及27个省、市和自治区，据卫生部的调查结果显示：全国约有7700万人饮用含氟量超过1.0mg/L的水，其中近500万人的饮用水含氟量超过5.0mg/L。在我国内蒙古地区调查研究发现，长期饮用氟离子浓度10mg/L左右的井水的人群中患轻度氟斑牙的概率已接近50%，饮用水含氟量为5-6mg/L地下水10年会普遍导致氟斑牙。另外，动物实验表明，高氟可促使成铝的大量吸收与蓄积，易引起老年痴呆症及人体衰老。

因此饮用高氟水导致的健康问题已引起各国政府和民众的关注。世界卫生组织(WHO) 将饮用水氟的限值规定为0.6-1.5mg/L，我国于2007年7月1日正式实施的饮用水卫生标准（GB5479-2006），规定生活饮用水氟的限值为1.0mg/L。严格标准的实施，对高氟水处理技术提出了更高的要求。目前，饮用水除氟方法主要有化学沉淀法、吸附过滤法，此外还有离子交换法、电渗析法、反渗透法、电凝聚法、电吸附法等，其中吸附法因其去除效率高、效果稳定而成为常用的除氟方法。

吸附法的关键在于吸附材料的性能，但是，目前吸附法除氟材料的研发和实际应用存在如下问题：

(1) 除氟吸附剂的吸附容量低，导致吸附过程消耗大量的吸附剂；

(2) 一些纳米除氟吸附剂尺寸较小，在吸附完成后不易于固液分离，在吸附工艺和装备的设计方面存在困难；

(3) 一些纳米吸附剂通过粘结成型后，吸附量急剧下降；

(4) 一些成型的吸附剂强度差、易破碎；在吸附塔/罐/柱内装填使用时，存在因吸附床层自重、静水压力，处理过程水流动能、反冲过程瞬时高速水流功能导致吸附剂颗粒破碎的问题，一方面会导致吸附剂流失，系统不能长久有效运行；另一方面短期内出水浊度升高，化学元素溶出释放导致饮水安全隐患；

(5) 一些成型过程和成型材料含有有害物质，不能保障饮水安全。

碳气凝胶(Carbon Aerogels)是一种新型轻质纳米级多孔性非晶碳素材料，它是具有超低密度和多孔性的固体材料，孔隙率可以达到80% - 99.8%，孔径一般为1 - 100nm，比表面积在500 - 1200 m²/g之间，密度的变化范围可达0.001 - 0.5g/cm³。碳气凝胶可以制备出不同粒径的微球，中国专利(公开号：CN 1011041430 A)专利公布了一种球状碳气凝胶的制备方法：以苯酚-三聚氰胺-甲醛为原料，预聚合形成溶胶，加入到含表面活性剂的分散相中，受搅拌作用形成悬浮体系，在60-85℃下发生溶胶-凝胶转变成球形水凝胶，然后水凝胶经过有机溶剂转换和超临界干燥制得球状有机气凝胶，再将其进行高温裂解制得球状碳气凝胶。溶胶-凝胶过程中通过控制搅拌转速可以得到球径为0.01-3mm之间的碳气凝胶微球。碳气凝胶具有许多优异的力学、电学和化学性能，可以广泛应用于吸附材料、电池材料、电极材料、化学传感器等领域。

镧作为一种稀土元素，研究表明，稀土元素的氧化物对氟离子具有较高的吸附选择性，将其负载在碳气凝胶材料上可以提高该材料对氟的吸附量和选择性。例如，中国专利(公开号：CN 101234792 A)报道了一种负载镧的氧化铝去除水体中氟离子的方法。具体方法是：氧化铝与镧盐按 1-4:1 的质量比混合并在170-400℃下焙烧。制得的负载镧氧化物的氧化铝用于水体中氟离子的去除效果明显优于传统吸附材料，最大吸附容量达到了80.8mg/g。中国专利(公开号：CN 101780397 A)报道了一种用于除氟的负载镧的沸石的制备方法：在原料沸石中加入氯化镧溶液，用28 wt%的浓氨水调节溶液pH，浸渍搅拌后除去滤液，烘干，高温灼烧。冷却后清洗残留的镧离子，烘干，得到负载氧化镧的沸石。此方法制备得到的负载氧化镧的沸石对氟离子的去除效果较好最大吸附容量达到了7.69mg/g，并且适用于不同浓度、不同硬度的水质。但是上述的方法都比较繁琐，并且对氟离子的吸附能力还有待提高。