纳米Fe3O4包覆凹土复合吸附剂的合成及性能

论文总字数：9804字

摘 要

以乙酰丙酮铁为铁源，三乙二醇为反应介质，采用多元醇法合成出磁性Fe₃O₄/凹土复合吸附剂。该复合吸附剂中纳米Fe₃O₄颗粒均匀包覆凹土表面，Fe₃O₄粒径约20 nm；复合吸附剂饱和磁化强度为36.4 emug^-1，显示出超顺磁性。该磁性凹土复合吸附剂对Cu² 和亚甲基蓝均表现出与原凹土相仿的吸附性能，其吸附性能在表面负载磁性颗粒后并未受影响，磁性颗粒的引入使吸附饱和的凹土可轻易地从体系中分离。通过不同的技术途径实现吸附饱和后饱和磁性凹土的再生。

关键词：复合材料，纳米颗粒，乙酰丙酮铁，乙二醇

Abstract: Magnetic Fe₃O₄/Attapulgiteclay composite materials were prepared by polyol method, using acetylacetone iron as the iron source, triethylene glycol anhydrous as the reaction medium. Results indicated that the Fe₃O₄ nanoparticles about 20 nm were successfully attached on the surface of Attapulgite clay and the nanocomposites were proved to be superparamagnetic with saturation magnetization of 36.4 emug⁻¹. Aproposed formation mechanism of the magnetic nanocomposites was presented. The obtained Fe₃O₄/Attapulgite clay composite materials showed the good adsorption properties of copper ion and methylene blue.

Keywords: Composite materials, Nanoparticles, Acetylacetone iron, Triethylene glycol anhydrous

目 录

1 前言 3

2 实验 4

3 结果与讨论 4

3.1 纳米Fe₃O₄/凹土磁性复合粒子的XRD分析 4

3.2 纳米Fe₃O₄/凹土磁性复合粒子的TEM分析 5

3.3 纳米Fe₃O₄/凹土磁性复合粒子的磁性能分析 5

3.4 可能性机理 6

3.5 原凹土和改性后磁性凹土对Cu² 的吸附、再生 7

3.6 原凹土和改性后磁性凹土对亚甲基蓝的吸附、再生 9

结论 12

参考文献 13

致谢 15

1 前言

目前，全球每年排入环境中的工业废水和生活污水达6000～7000亿吨，而我国每年工业废水排放量达230亿吨，工业废水的大量排放不仅浪费水资源而且在处理时还消耗大量的能源与资源。工业废水中的主要有害物质为酚类、醛类、醇类、苯类、多环芳香烃化合物、汞、铅、镉、锌、氰化物、砷和各种盐类等，对人体有极大的伤害。为了去除工业废水中的这些有害物质，国内外研究人员通常采用粘土矿物^[1]、碳纳米管^[2]和生物高聚物^[3]等材料作为吸附剂。凹土矿物存在独特的纳米孔道结构、较大的比表面积和一定的离子交换性，使凹土具有很强的吸附、离子交换和催化等性能^[4]。

迄今，国内外学者已对凹土作为天然廉价吸附剂在环境保护中的应用进行了大量有益的实验探索，取得了丰富成果，研究范围涉及到水处理的众多领域。已取得的成果和进展都表明，凹土作为吸附剂应用于水处理表现出优异的吸附性能，具有很大的应用潜力。但同时，也存在一些亟待解决的问题。天然凹土杂质含量高、孔道堵塞严重及表面阳离子的可交换性差等不足之处，使其在实际应用效果中较差^[5-7]。另外，凹土晶体细小，表面带有结构电荷，在水悬浮体系中表现出优异的胶体性能和胶体稳定性，这就使得吸附饱和后的凹土很难从水中分离，产生二次污染^[8]，且造成凹土资源的浪费。为拓展天然凹土的应用前景，对天然凹土的研究主要分为改性处理和分离处理两个重要的研究方向。

目前，对凹土的改性处理，国内外研究人员通常采用高温活化、酸改性及其它综合的改性方法对其改性，并取得了较好的改性效果^[9]。但至今，对凹土表面包覆改性的研究还较少见。对凹土的分离途径，实验室的分离方法一般都是离心分离法，半工业化试验一般都是投加絮凝剂，絮凝沉淀^{[10, 11]}。这不仅消耗大量的絮凝剂，使水处理成本升高，而且产生大量难以处理的污泥，制约了凹土在水处理中的工业化应用，只有解决凹土吸附剂低成本回收问题，才能消除工业化应用的技术瓶颈^[12]。与传统的离心分离、絮凝沉淀相比，磁分离是一种简单高效的分离方法，可分离磁性或可磁化的吸附剂、载体、细胞等物质，被广泛用于生物化学、分子生物学、微生物学、细胞生物学、分析化学、环境技术等领域^[13]。迄今，凹土基磁性复合材料的应用基础研究还鲜有文献报道。

在实际应用中，吸附饱和的凹土能否经脱附而再生从而得以重复使用，这是其经济上是否具有吸引力的关键所在。目前，常见的脱附重金属离子的方法包括高温加热脱附法、脱附剂脱附法、有机溶剂萃取法等^[14,15]。其中脱附法具有低成本、高脱附率、不会造成二次污染等特点，在脱附方法中占据主导地位。鉴于本论文使用的凹土基磁性复合材料，其表面结构、性质不同于一般的粘土材料，因此，对脱附剂材料的选择、复配和优化也是一个值得深入研究的方向。

本论文拟对天然凹土表面引入磁性纳米材料，使其与凹土相结合，制备出凹土基磁性复合材料。通过外磁场磁使已饱和的凹土以磁选的方式与作用体系分离，通过再生剂的作用使其再生，从而使凹土成为吸附效果较好的环境友好型材料。

2 实验

称取0.1g的凹土和0.2g 乙酰丙酮铁加入到50ml三口烧瓶中，然后加入30ml三缩三乙二醇，超声搅拌均匀后，用油浴加热至270℃并搅拌回流2h，冷却至室温后，用离心机分离，再用水和无水乙醇反复洗涤后，放入表面皿中于60℃烘箱中烘干，干燥后取出复合粒子。

采用Bruker D8 Avance 型X-射线粉末衍射仪进行分析，Cu 靶Kα 射线，波长λ=1.54A，扫描范围20-80°。采用Philips Tecnai 12型投射电子显微镜分析，将纳米Fe₃O₄磁性复合粒子用乙醇稀释数倍后超声处理，取一滴滴入镀有碳支持膜的铜网表面，晾干后观察。

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