[发明专利]一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂的制备方法及其应用

说明书

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了一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂，其结构式为纳米多孔硅具有较大的孔隙率和较多的活性位点，具有活跃的表面化学活性，高的比表面积和可控的形貌，易于改性；本发明通过对纳米多孔硅进行有机改性所得改性纳米多孔硅材料，可实现废水中As⁵⁺的快速高效富集和去除；本发明的改性纳米多孔硅材料对砷离子吸附容量高达10mg/g以上，吸附效率高达90％以上，在吸附时间为30min即可达到吸附平衡，可用于工业废水中砷离子的快速高效去除和分离。

技术领域

本发明涉及一种纳米多孔硅吸附剂的改性领域，具体涉及一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂的制备方法及其应用。

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，砷和含砷金属的开采、冶炼，用砷或砷化合物作原料的玻璃、颜料、原药、纸张的生产以及煤的燃烧等过程，都可产生含砷废水、废气和废渣，对环境造成污染。大气含砷污染除岩石风化、火山爆发等自然原因外，主要来自工业生产及含砷农药的使用、煤的燃烧。含砷废水、农药及烟尘都会污染土壤。砷在土壤中累积并由此进入农作物组织中。砷和砷化物一般可通过水、大气和食物等途径进入人体，造成危害。元素砷的毒性极低，砷化物均有毒性。因此，如何科学有效解决As⁵⁺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As⁵⁺，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As⁵⁺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，随着各国光伏产业的蓬勃发展，太阳能级硅料的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)。我国作为全球第一大光伏产品制造国，每年高纯太阳能级硅的产量已超过40万吨。通常，太阳能级硅片是通过对太阳能级硅锭(纯度为99.9999％)进行多线切割而成。无论是在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)与硅片厚度相差不大，从而导致了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，本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂的制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂，该改性纳米多孔硅的结构式为：

一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂，制备方法至少包括以下步骤：将多孔硅与含3-甘二氧基丙基三甲氧基硅烷的原料反应，进行一次改性，得到改性纳米多孔硅A；将所述改性纳米多孔硅A与含四乙烯五胺的原料反应，进行二次改性，得到所述吸附剂。

进一步的，一种用于As的多步改性纳米多孔硅吸附剂，制备方法具体步骤如下：