一種改性石英砂及其改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種改性石英砂及其改性方法，具體涉及一種用水玻璃對(duì)石英砂進(jìn)行 改性的方法以及在石英砂表面覆上一層二氧化硅包覆層的改性石英砂。
【背景技術(shù)】
[0002] 石英砂(也稱(chēng)硅砂）是常用的過(guò)濾介質(zhì)(如水過(guò)濾濾池的濾料）和吸附劑。作為吸 附劑使用時(shí)存在比表面積小，吸附能力差，對(duì)水中有毒物質(zhì)（如重金屬離子等）、細(xì)菌、病毒 和有機(jī)物基本去除能力低等缺點(diǎn)。為改善石英砂濾料去除廢水中有害離子的能力，人們開(kāi) 始設(shè)法尋找既經(jīng)濟(jì)、過(guò)濾效果又好的濾料。改性濾料即是其中一種，它是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在普 通石英砂濾料的表面涂上一層改性劑從而改變?cè)瓰V料顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)，以提高濾料 對(duì)某些特殊物質(zhì)的吸附能力和增強(qiáng)濾料的截污能力，從而達(dá)到改善出水水質(zhì)的目的。
[0003] 中國(guó)專(zhuān)利2011101943771中公開(kāi)了一種納米氧化鐵改性石英砂濾材。這種濾料將 厚度為25~65 μ m，納米氧化鐵包覆于半徑大小為500~1200 μ m的石英砂載體的顆粒 表面，從而使該濾料的比表面積較普通的氧化鐵改性石英砂提高10倍，較未改性的石英砂 比表面積提高100倍以上，極大提高了濾料的吸附容量，且表面孔隙尺寸可達(dá)到納米級(jí)，對(duì) 于吸附納米級(jí)的污染顆粒更有效。
[0004] 繆佳等(繆佳，徐召燃，付靜，倪挺，《城市環(huán)境與城市生態(tài)》，第24卷6期，第33~36 頁(yè)，2011年）對(duì)鎂鹽改性石英砂的制備及其吸Zn 2+影響因素進(jìn)行了研究，以石英砂為載體， 用堿性沉積法制備了比表面積比石英原砂提高了 6. 12倍的鎂鹽改性砂，并通過(guò)調(diào)節(jié)吸附 時(shí)間，初始濃度及pH值，使鎂鹽改性石英砂的Zn2+去除率達(dá)到95 %左右。
[0005] 丁春生等(丁春生，蔣志元，張德華，繆佳，鋁鹽改性石英砂制備及其吸附性能研 究，非金屬礦，2009,第32卷第5期，17~20)以石英砂為載體，用反復(fù)加熱蒸干法制備了 鋁鹽改性砂，該鋁鹽改性砂對(duì)有機(jī)物和Zn 2+的吸附性能均得到提高。
[0006] 上述石英砂的表面改性方法雖然增加了石英砂的表面積，提高了吸附效率，但是 同時(shí)也改變了石英砂的組分，對(duì)石英砂吸附劑的重復(fù)利用、再生及回收利用（如再用于玻璃 的制備等）帶來(lái)了負(fù)面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)以上不足，本發(fā)明提供了一種改性石英砂，該改性石英砂表面包覆一層二氧 化硅，在提高石英砂比表面積的同時(shí)不改變石英砂的組成，為石英砂的再生、再利用提供了 方便。
[0008] 本發(fā)明還提供了該石英砂進(jìn)行改性的方法，該方法簡(jiǎn)單易行，重復(fù)性強(qiáng)，能夠快捷 的實(shí)現(xiàn)石英砂的改性，所得改性石英砂性能明顯提高，實(shí)用性強(qiáng)。
[0009] 本發(fā)明以廉價(jià)的工業(yè)原料水玻璃為原料，通過(guò)添加三嵌段聚合物P123在石英砂 表面順利形成二氧化硅包覆層，經(jīng)煅燒除去P123后在石英砂表面形成多孔二氧化硅包覆 層，達(dá)到了提高石英砂表面積的目的。本發(fā)明采用多孔二氧化硅對(duì)石英砂進(jìn)行改性，打破了 現(xiàn)今均認(rèn)為的采用與石英砂不同的成分對(duì)石英砂進(jìn)行改性的偏見(jiàn)，解決了用其他成分對(duì)石 英砂改性所造成的石英砂再利用不便的不足。
[0010] 本發(fā)明具體技術(shù)方案如下： 一種改性石英砂，所述石英砂的表面有多孔二氧化硅包覆層。
[0011] 上述改性石英砂中，所述多孔二氧化硅包覆層中主要為納米孔。
[0012] 上述改性石英砂中，二氧化硅具有孔結(jié)構(gòu)，從而使改性后的石英砂比表面積大大 提升。改性石英砂的比表面積是未改性石英砂的38~660倍，優(yōu)選130-660倍。
[0013] 上述改性石英砂中，多孔二氧化硅包覆層中的孔結(jié)構(gòu)可能由多種原因形成，既有 由P123燒失后形成的孔，也有在包覆過(guò)程中形成的二氧化硅微球等顆粒、二氧化硅凝膠及 凝膠集聚體等之間的空隙構(gòu)成的孔。
[0014] 本發(fā)明通過(guò)在石英砂表面包覆二氧化硅層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)石英砂的改性，上述改性石 英砂的制備方法，包括以下步驟： (1) 向三嵌段聚合物P123、水和酸洗石英砂的混合物中先加入水玻璃混合均勻，再在快 速攪拌下加入鹽酸混合均勻，得反應(yīng)體系；或者向三嵌段聚合物P123、水和酸洗石英砂的 混合物中先加入鹽酸混合均勻，再加入水玻璃混合均勻，得反應(yīng)體系； (2) 將上述反應(yīng)體系攪拌均勻，震蕩反應(yīng)，使水玻璃反應(yīng)生成二氧化硅并包覆在石英砂 表面； (3) 反應(yīng)后，洗滌、過(guò)濾，取沉淀烘干； (4) 將烘干的沉淀直接煅燒除去三嵌段聚合物P123,得改性石英砂；或者再重復(fù)（1)、 (2)和（3)的步驟2-4次，對(duì)石英砂進(jìn)行多次二氧化硅包覆，多次包覆后的石英砂經(jīng)烘干、煅 燒除去三嵌段聚合物P123,得改性石英砂。
[0015] 上述制備方法中，三嵌段聚合物P123、水玻璃、石英砂、鹽酸的用量對(duì)改性石英砂 的比表面積有影響。其中，三嵌段聚合物P123 :水：水玻璃：石英砂的用量比為0. 1-0. 5g : 40ml :1ml :2-10g，此處的水是指加入的純水，不包括鹽酸帶入的水。當(dāng)鹽酸的濃度為Imol/ L時(shí)，鹽酸(即鹽酸水溶液）與水玻璃的體積比為3. 2-10:1。
[0016] 上述步驟（2)中，反應(yīng)體系在25_80°C進(jìn)行反應(yīng)。
[0017] 上述步驟（2)中，反應(yīng)的時(shí)間為I h~24 h。
[0018] 上述步驟（3)中，優(yōu)選在90°C烘干3h。
[0019] 上述步驟（4)中，優(yōu)選在550°C煅燒6h除去三嵌段聚合物P123。
[0020] 上述制備方法中，所述酸洗石英砂是按照以下處理得到的：將石英砂用濃鹽酸浸 泡lh，然后用水洗至中性，120°C干燥3h，得酸洗石英砂。
[0021] 上述制備方法中，按照先加入水玻璃再加入鹽酸的順序比先加入鹽酸再加入水玻 璃的順序所得的改性石英砂的效果好。其中，三嵌段聚合物P123 :水：水玻璃：IM鹽酸：石 英砂=0. 3g :40ml :1ml :4ml :2g時(shí)、反應(yīng)溫度60°C、反應(yīng)時(shí)間24h、包覆5次時(shí)所得改性石英 砂性能最佳。
[0022] 本發(fā)明以廉價(jià)的水玻璃為原料，通過(guò)在石英砂表面形成多孔二氧化硅包覆層的方 式對(duì)石英砂進(jìn)行改性，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在提高石英砂表面積的同時(shí)，不改變石 英砂的組成，為石英砂作為吸附劑及濾砂使用后的回收再利用提供了方便。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為原始石英砂的SEM照片。
[0024] 圖2為實(shí)施例7 -次包覆石英砂的SEM照片。
[0025] 圖3為圖2的放大照片。
[0026] 圖4為實(shí)施例7三次包覆石英砂的SEM照片。
[0027] 圖5為實(shí)施例7五次包覆石英砂的SEM照片。
[0028] 圖6為酸洗石英砂及實(shí)施例7中1、3、5次包覆所的石英砂的隊(duì)等溫吸附曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了更好的理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030] 下述實(shí)施例1-6中，比表面積數(shù)據(jù)均為11點(diǎn)BET測(cè)試所得的結(jié)果計(jì)算值，記為 Sbet，其中酸洗石英砂比表面積為0. 148m2/g，該試樣測(cè)試前200度真空脫氣10小時(shí)。
[0031] 下述實(shí)施例中，所用水玻璃波美度為35,模數(shù)為2. 9~3. 1。
[0032] 實(shí)施例1 1、 將0. 3g P123和40 mlH20混合，25°C條件下溶解均勻，再加入2g石英砂； 2、 向步驟1的混合物中先加入1ml水玻璃，攪拌均勻，再在快速攪拌的條件下加入4ml 的IM鹽酸溶液，攪拌均勻；或者先加入4ml的IM鹽酸溶液，攪拌均勻，再加入1ml水玻璃， 攪拌均勻； 3、 將步驟2的反應(yīng)液移至搖床上，回旋搖晃條件（回旋頻率200rpm)下，在25°C下反應(yīng) 12h，反應(yīng)后洗滌、過(guò)濾，沉淀在90°C干燥3h后，然后在550°C煅燒6h，得改性石英砂樣品。 所得樣品的比表面積如下表所示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改性石英砂，其特征是：所述石英砂的表面有多孔二氧化硅包覆層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性石英砂，其特征是：所述多孔二氧化硅包覆層中主要為 納米孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性石英砂，其特征是：所述改性石英砂的比表面積是未改 性石英砂的38~660倍。
4. 一種權(quán)利要求1所述的改性石英砂的制備方法，其特征是包括以下步驟： (1) 向三嵌段聚合物P123、水和酸洗石英砂的混合物中先加入水玻璃混合均勻，再在快 速攪拌下加入鹽酸混合均勻，得反應(yīng)體系；或者向三嵌段聚合物P123、水和酸洗石英砂的 混合物中先加入鹽酸混合均勻，再加入水玻璃混合均勻，得反應(yīng)體系； (2) 將上述反應(yīng)體系攪拌均勻，震蕩反應(yīng)，使水玻璃反應(yīng)生成二氧化硅并包覆在石英砂 表面； (3) 反應(yīng)后，洗滌、過(guò)濾，取沉淀烘干； (4) 將烘干的沉淀直接煅燒除去三嵌段聚合物P123,得改性石英砂；或者再重復(fù)（1)、 (2)和（3)的步驟2-4次，對(duì)石英砂進(jìn)行多次二氧化硅包覆，多次包覆后的石英砂經(jīng)烘干、煅 燒除去三嵌段聚合物P123,得改性石英砂。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是：各反應(yīng)物的用量關(guān)系如下：三嵌段聚合 物 P123 :水：水玻璃：石英砂=0? 1-0. 5g :40ml :1ml :2_10g。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征是：當(dāng)鹽酸的濃度為lmol/L時(shí)，鹽酸 與水玻璃的體積比為3. 2-10:1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征是：步驟（2)中，反應(yīng)體系在 25-8CTC進(jìn)行反應(yīng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征是：步驟（2)中，反應(yīng)的時(shí)間為 1 h~24 h。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征是：步驟（3)中，在90°C烘干 3h ;步驟（4)中，在550°C煅燒6h除去三嵌段聚合物P123。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征是：所述酸洗石英砂是按照以 下處理得到的：將石英砂用濃鹽酸浸泡lh，然后用水洗至中性，120°C干燥3h，得酸洗石英 砂。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種改性石英砂及其改性方法，所述石英砂的表面有多孔二氧化硅包覆層，制備時(shí)向三嵌段聚合物P123、水和酸洗石英砂的混合物中先加入水玻璃，再在快速攪拌下加入鹽酸混合均勻，或者先加入鹽酸，再加入水玻璃混合均勻；將所得反應(yīng)體系攪拌均勻，震蕩反應(yīng)，使水玻璃反應(yīng)生成二氧化硅并包覆在石英砂表面；反應(yīng)后取沉淀，洗滌、烘干、煅燒得改性石英砂。本發(fā)明以廉價(jià)的水玻璃為原料，通過(guò)在石英砂表面形成多孔二氧化硅包覆層的方式對(duì)石英砂進(jìn)行改性，該方法操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在提高石英砂表面積的同時(shí)，不改變石英砂的組成，為石英砂作為吸附劑及濾砂使用后的回收再利用提供了方便。
【IPC分類(lèi)】B01J20-30, B01J20-10, B01D39-06
【公開(kāi)號(hào)】CN104623973
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410763848
【發(fā)明人】劉世權(quán), 曲慧, 段惠敏, 張維娟, 宋鵬, 趙燕玲
【申請(qǐng)人】濟(jì)南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月13日