一种碳化钛-MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法和应用技术

一种碳化钛

【技术实现步骤摘要】
一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及水污染治理领域，具体涉及一种除磷吸附气凝胶珠的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]磷酸盐在水中的过度富集加速了营养化，从而导致藻类水华、水中氧气耗尽、生物死亡以及当地生态平衡的破坏。此外，藻华过度繁殖对饮用水供应和水生生态系统造成持续性威胁，增加了饮用水处理的难度与费用。
[0003]城镇污水排放往往是地表水的主要污染源，为达到减少富营养化的目的，对于湖泊、河流、水库和河口等易出现富营养化或用作饮用水源的敏感区域，减少磷输入是最行之有效的方法。
[0004]添加化学混凝剂(如铁盐或铝盐)是污水处理厂强化磷酸盐去除最常用的方法。然而，化学沉淀除磷最明显的缺点是产生大量剩余污泥，严重影响后续污泥处理。此外，在一般情况下，因为大多数化学试剂对生物除磷有抑制作用，该过程中需分段处理，分别采用化学和生物去除磷，这导致了处理工序复杂，运行成本增加。
[0005]此外，生物法、膜处理和离子交换法同样因操作复杂、运行维护成本高、效果不稳定等问题而应用受限。对比之下，吸附法除磷则有便于磷回收、不产生剩余污泥、操作简便等优点。然而目前应用中的吸附剂往往对磷选择性不高、吸附容量较低、因粒径小而难以回收等问题，使吸附法除磷在实际应用中受到限制。
[0006]MXene是一种由过渡金属碳化物、氮化物或多个原子层的碳氮化物组成的新型二维无机化合物。这类新型的二维材料和复合材料具有特殊的结构、高比表面积、小尺寸和化学多样性。MXene在制备过程中带上的
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O、
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F或
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OH基团使其具有很强的亲水性。此外，该材料具有很强的生物相容性。目前二维(2D)MXene材料用于吸附去除水中的磷酸盐的研究发现，MXene与磷酸盐形成表面络合和静电吸引，且MXene内的Ti
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O末端和磷酸盐化学络合可以实现了对水体磷酸盐的去除。但目前的MXene材料磷吸附能力仍较低，且在干扰阴离子存在的情况下对磷的选择吸附较差，同时纳米颗粒MXene材料的吸附回收存在困难。
[0007]气凝胶是一类是干燥凝胶材料的总称，其具有高孔隙率、大比表面积、低密度等优越特征。其中多糖凝胶材料海藻酸盐具有良好的化学稳定性、生物相容性、生物降解性、无毒、低成本、温和的凝胶化和螯合能力。其结构中含有大量亲水官能团
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OH和
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COOH。通过接枝、交联以及其它活性基团的表面功能化等方法可以实现对天然海藻酸盐的修饰从而提高其吸附性能。但目前的改性海藻酸盐磷吸附剂仍然存在缺陷：它们中的大多数需要做成珠状、水凝胶或膜状从而使吸附材料易于分离，然而这种形态大幅减少了吸附剂的比表面积，且改性材料对原始海藻酸盐的亲水性产生了影响，且海藻酸盐气凝胶材料大多机械强度低，这使得吸附剂再生过程中易损耗从而降低材料使用寿命。
[0008]因此，开发一种生物友好、亲水性强、机械性能和热稳定性高、比表面积大、选择吸
附性好、吸附容量高、易回收且重复吸附效能高的磷吸附材料对实现水环境磷回收、降低生态风险具有重要意义。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是要解决现有磷吸附剂对磷选择性不高、亲水性差、吸附容量较低、因粒径小而难以回收和机械强度低的问题，而提供一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法和应用。
[0010]一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法，是按以下步骤完成的：
[0011]一、将Ti3C2‑
MXene粉末加入到通入惰性气体的超纯水中，再超声分散，MXene由多层变为少层或单层，得到少层或单层Ti3C2‑
MXene粉末分散液；
[0012]二、将海藻酸钠粉末加入到少层或单层Ti3C2‑
MXene粉末分散液中，机械搅拌，得到混合溶液；
[0013]三、将混合溶液逐滴滴入到交联溶液中，再在4℃下交联，得到交联凝胶小球；
[0014]四、使用超纯水对交联凝胶小球洗涤数次，再将小球沥出；
[0015]五、将沥出的小球放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠。
[0016]一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠作为磷吸附剂使用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018](1)、与纯海藻酸钠气凝胶珠相比，本申请中使用了MXene材料，MXene材料的投加使海藻酸钠气凝胶珠在冷冻干燥的过程中维持了良好的三维交联网络形貌，避免了纯海藻酸钠在冷冻干燥过程中的塌陷以及交联过程中结构过于密实的情况，这使得本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠作为吸附材料使用时拥有数量更多的接触位点，更利于磷吸附行为的发生；
[0019](2)、本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠为介孔材料，具有较一般吸附材料更大的比表面积(约92.288m2/g)，同时其由于具有较大的小球状外形，材料回收更加简便；
[0020](3)、本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠具有更高的热稳定性和机械强度，使得本材料吸附适用的温度范围更广，同时也降低了其保存要求。材料在解吸和材料复用中损失减少，降低了投入成本，材料使用寿命显著增加；
[0021](4)、本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠由于碳化钛纳米片表面附着的
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F基团、
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OH基团、
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O基团，以及海藻酸钠上的
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COOH、
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OH、
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CO基团，本材料拥有更高的亲水性，大大增加了吸附材料与水溶液的接触概率，使得磷的吸附可能性大幅增加；
[0022](5)、本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠除优异的物理吸附条件外，由于同时存在Ti和Zr两种功能元素，可以分别与P发生反应形成Ti
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O
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P和Zr
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O
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P产物，即发生化学吸附，使得本材料对水体中磷的吸附选择性增加，磷吸附容量大大增加，可减少吸附材料投加量，降低成本；
[0023](6)、本专利技术制备的碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠材料生物相容
性高，在实际应用范围更广，在后续生物处理环节或者实际水体处理中不易降低生物处理活性；
[0024](7)、由于该气凝胶珠吸附材料Ti、Zr双重化学吸附作用和多孔道三维结构，其亲水性强、机械性能和热稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法，其特征在于一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法是按以下步骤完成的：一、将Ti3C2‑
MXene粉末加入到通入惰性气体的超纯水中，再超声分散，MXene由多层变为少层或单层，得到少层或单层Ti3C2‑
MXene粉末分散液；二、将海藻酸钠粉末加入到少层或单层Ti3C2‑
MXene粉末分散液中，机械搅拌，得到混合溶液；三、将混合溶液逐滴滴入到交联溶液中，再在4℃下交联，得到交联凝胶小球；四、使用超纯水对交联凝胶小球洗涤数次，再将小球沥出；五、将沥出的小球放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠。2.根据权利要求1所述的一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法，其特征在于步骤一中所述的Ti3C2‑
MXene粉末与超纯水的质量比为(2.5～4):(100～130)。3.根据权利要求1所述的一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法，其特征在于步骤一中所述的超声分散的功率为300W～400W，超声分散的时间为15min～30min。4.根据权利要求1所述的一种碳化钛
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MXene掺杂海藻酸钠除磷吸附气凝胶珠的制备方法，其特征在于步骤二中所述的海藻酸钠粉末与步骤一中超纯水的质量比为(2.5～4):(...

【专利技术属性】
技术研发人员：南军，宋朗润，刘博涵，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：