[发明专利]一种改性纳米多孔硅吸附剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种改性纳米多孔硅吸附剂及其制备方法与应用，属于纳米多孔硅改性技术领域。本发明改性纳米多孔硅的结构式为；本发明以金刚石线切割硅废料为原料，采用金属辅助化学刻蚀法制备纳米多孔硅，并对纳米多孔硅进行有机改性得到改性纳米多孔硅材料，可实现废水中Cd²⁺的快速高效富集和去除。

技术领域

本发明涉及一种改性纳米多孔硅吸附剂及其制备方法与应用，属于纳米多孔硅改性技术领域。

背景技术

重金属水体污染是一个十分严重的社会和环境问题。其中，镉(Cd)是重要的无机化工产品，广泛应用于电镀，镉镍电池和合金等各种工业过程。镉已被公认为最有毒的金属离子之一，在较低浓度下会造成肺水肿，肾功能不全，肺炎等其他疾病，甚至还能致癌。世界健康组织(WHO)严格规定允许饮用水中的Cd²⁺最高浓度为10μg/L。 因此，如何科学有效解决Cd²⁺污染水体日益重要，同时也已经成为世界各国以及广大的环保科研工作者研究关注的热点之一。

目前，处理重金属离子的传统方法主要有离子交换，反渗透，电化学处理，化学沉淀，膜分离，它们不能有效去除Cd²⁺ ，而且成本高，选择性差，产生二次废物。吸附法，因其成本低，效率高，工艺简单，选择性高，可再生利用，已被认为是处理含Cd²⁺ 废水最有前景的一种方法。目前常见的吸附剂，如沸石，活性炭，生物吸附剂，粘土和工农业废料，由于比表面积低，孔隙率差，表面缺乏有机官能团，吸附效果受到较大限制。

近年来，随着光伏产业的蓬勃发展，太阳能级硅料产量也随之迅猛增长，据统计，2018年度全球硅片产量高达109.2GW(折合为硅片约230亿片，硅量达58万吨)。作为全球第一大光伏产品制造国，中国每年高纯太阳能级硅产量就超过40万吨。通常，太阳能硅片是通过对太阳能级硅锭(纯度99.9999%)进行多线切割而成。无论是传统砂浆碳化硅切割还是现行的金刚线切割方式中，由于切割钢线直径(d~110微米)与硅片厚度相差不多，从而导致硅锭切割过程中将有40%的高纯硅料以亚微米级的切割锯末的形式进入切割液中，仅以2018年度为例，要实现109.2GW的硅片切割，就将产生高达38万吨的切割废料。太阳能级高纯硅料的制备本身就是长流程、高耗能的过程，如此大量且细微的切割废料直接排放将带来严重的环境破坏和资源浪费，因此，寻求有效的技术路线或工艺实现对其的综合回收和高效利用，不但能极大地解决光伏产业硅废料的处理难题，还将带来巨大的经济和环境效益。若能将硅废料作为硅基材料改性后应用到处理有毒重金属离子的研究中，并能实现良好的循环使用性能和选择性，将有力地推动硅材料的规模化制备和商业化应用，并能有效地解决光伏产业切割硅废料的处理难题，将会带来极大的经济和环境效益。

发明内容

针对现有技术中硅废料的利用以及重金属离子吸附的技术问题，本发明提供一种改性纳米多孔硅吸附剂及其制备方法与应用，本发明以金刚石线切割硅废料为原料，采用金属辅助化学刻蚀法制备纳米多孔硅，并对纳米多孔硅进行有机改性得到改性纳米多孔硅材料，可实现废水中Cd²⁺的快速高效富集和去除。

一种改性纳米多孔硅吸附剂，该改性纳米多孔硅的结构式为：

。

所述改性纳米多孔硅吸附剂的制备方法，具体步骤如下：

（1）将金刚石线切割硅废料进行纯化处理得到纯化硅粉；

（2）室温下，将步骤（1）的纯化硅粉进行金属纳米颗粒辅助化学刻蚀得到含有纳米级孔道的硅颗粒；

（3）将步骤（2）的含有纳米级孔道的硅颗粒置于硝酸溶液中浸泡1~120min，取出硅颗粒并采用去离子水洗涤至洗液为中性，过滤、干燥得到多孔硅；