专利名称：高新板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子及其制备技术
技术领域：
本发明涉及一种吸附高毒性重金属离子的水处理剂一板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子及其制备方法。
背景技术：
重金属离子由于其高毒性被认为是一种重要的水污染源，其治理方法越来越受到人们的关注。目前，从水中去除重金属离子的主要方法有氧化法、沉淀法、离子交换法和吸附法。其中吸附法由于操作简单，效率高及成本低等优势被广泛采用(D.Mohan and
C.U. Pittman, J. Hazard. Mater. , 2007,142,1.)。铁的氧化物，如α -Fe2O3, FeOOH及！^ (OH) 3作为一种低成本、高效的吸附剂被广泛应用于污染水但由于这种铁的氧化物主要以粉体的形式应用于水处理，通常采用过滤分离或离心分离的方法回收，普遍存在着效率低，容易造成二次污染，操作复杂， 成本高等缺点，限制了其实际应用(L. C. Roberts, S. J. Hug, Τ. Ruettimann, Α. W. Khan and Μ. Τ. Rahman, Environ. Sci. Technol.，2004，38，307.)。磁性氧化铁(Y-Fii2O3 和 Fii3O4)由于其简易的磁分离特性及高吸附性能，被认为是下一代理想的水处理吸附剂(T. Tuutijarvi, J. Lu，M. Sillanpaa and G. Chen，J. Hazard. Mater.，2009，166，1415 ；C. Τ. Yavuz, J. Τ. Mayo, W. W. Yu, Α. Prakash, J. C. Falkner, S. Yean, L. Cong，H. J. Shipley, A. Kan, Μ. Tomson,
D.Natelson and V. L Colvin，Science，2006，314，964.)。研究发现，磁性氧化铁的吸附性能与其尺寸有着直接的联系。尺寸小于12nm的具有高比表面积的Y-Fe2O3和!^e3O4纳米粒子有着比大尺寸粒子更高的吸附性能。但磁性粒子尺寸的下降会导致对外加磁场的响应速度的降低，从而失去其简易磁分离的优势。 而由小尺寸的纳米粒子，纳米棒或纳米片等作为“组成单元”组装而成的磁性氧化铁分级结构粒子由于有更大的尺寸和较弱的布朗运动，能在保持或部分保持其组成单元特性的基础上，更快更强的对外加磁场产生响应，被认为是一种理想的重金属离子水处理吸附剂 (L. S. Zhong, J. S. Hu, H. P. Liang, Α. Μ. Cao, W. G. Song and L. J. Wan, Adv. Mater.，2006，18， 2426 J. S. Hu, L. S. Zhong, W. G. Song and L. J. Wan, Adv. Mater.，2008，20，2977.)。目前，已成功制备出了数种磁性氧化铁分级结构粒子并应用于吸附水中的重金属离子(L. S. Zhong,J. S. Hu, H. P. Liang, Α. Μ. Cao,ff. G. Song and L. J. Wan, Adv. Mater. ,2006, 18，2426 J. S. Hu, L. S. Zhong, W. G. Song and L. J. Wan, Adv. Mater.，2008，20，2977 ；P. Wang and I. M. C. Lo, Water Res.，2009，43，3727.)。但它们均为同一晶型的磁性氧化铁分级结构粒子，不具有核壳结构，同时比表面积较小，且对重金属离子的吸附能力较弱。中国专利 CN101733065A介绍了一种可磁分离的核壳结构介孔重金属离子吸附剂及制备方法，该方法采用包覆结合还原的方法制备了以!^e3O4作为内核，无定形SiO2作为外层介孔层，可吸附废水中Hg2+，Pb2+, Cd2+，Zn2+, Cu2+。在该专利中，吸附剂的制备需经四步处理，工艺繁琐，而且并没有涉及到水中As5+的去除。
发明内容
本发明的目的是提供一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子及其制备方法， 该方法具有合成方法简单，反应条件温和的特点，这种板栗状核壳结构的粒子对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子，其特征在于它的微观形貌为板栗状，内部为非晶态氧化铁纳米粒子聚集形成的多孔结构，壳层由许多结晶的磁赤铁矿(Y-Fe2O3)纳米棒垂直生长于非晶态氧化铁纳米粒子聚集体表面组成，具有较大的比表面积、较强的磁性和明显的异质界面。上述一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子的制备方法，其特征在于它包括如下步骤将氯化物、Fe(CO)5和N，N- 二甲基甲酰胺按照(0. 01-1. 6) mmol 0. 50mL (10-160)mL配比混合，在空气中剧烈搅拌5-90min，得到溶液；将上述溶液转入到反应釜中，溶液体积占反应釜总体积的40-90% ；将反应釜在160-220°C温度下加热l_32h，然后在空气中冷却至室温；收集褐色沉淀，洗净并在真空中干燥，得到板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子(产品)。所述的氯化物为盐酸、SnCl2 · 2H20, FeCl3 · 6H20 (等水合金属氯化物)中的一种或二种以上(含二种)的混合物，二种以上(含二种)的混合物中的原料之间的相互配比为任意配比。所述剧烈搅拌是指转速为500转/分钟以上。上述一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子的应用其特征在于它用于吸附水中的重金属离子。本发明的有益效果是得到了一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子，其制备方法具有合成方法简单，反应条件温和的优点；该粒子具有多孔结构以及较大的比表面积，对水中的重金属离子具有较强的吸附能力，在水处理等环境治理中有广泛的应用前景。 可以作为一种高效、易磁分离回收利用的水处理剂使用。
图1是所制备的磁性Fe52O3非晶核/ γ相壳分级结构吸附剂粒子的㈧低倍扫描电子显微镜图；(B)高倍扫描电子显微镜图；(C)切片低倍透射电子显微镜图；(D)切片高倍透射电子显微镜图；(E)组成壳层的单晶磁赤铁矿(Y-Fe52O3)纳米棒透射电子显微镜图和高分辨透射电镜图。图2是所制备的磁性Fe52O3非晶核/ γ相壳分级结构吸附剂粒子的能谱图。图3是所制备的磁性!^e2O3非晶核/Y相壳分级结构吸附剂粒子的(A)X射线衍射图；(B)拉曼光谱图；(C)X射线光电子能谱图。图4是在温度为180°C所制备的磁性F^O3非晶核/ γ相壳分级结构吸附剂粒子的(A)低倍扫描电子显微镜图；(B)高倍扫描电子显微镜图。图5是将SnCl2 · 2Η20替换为体积分数为38%的盐酸所制备的磁性!^e2O3非晶核 /Y相壳分级结构吸附剂粒子的(A)低倍扫描电子显微镜图；(B)高倍扫描电子显微镜图。图6是所制备的磁性F^O3非晶核/ γ相壳分级结构吸附剂粒子的(A)As (V)吸附动力学曲线图；(B)As(V)吸附等温曲线及Langmuir和Freundlich拟合图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。实施例1 一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子(或称磁性!^e2O3非晶核/ Y相壳分级结构吸附剂粒子)的制备方法，它包括如下步骤将0. 20mmol SnCl2 · 2H20和0. 50mL I^e(CO)5分别加入到80mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，在空气中，利用磁力剧烈搅拌 30min，得到溶液；然后将所得溶液加入到IOOmL的高压反应釜中，并将其在200°C温度下加热8小时，然后在空气中冷却至室温；收集褐色沉淀，洗净并在真空中40°C干燥他，得到一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子(或称磁性!^e2O3非晶核/Y相壳分级结构吸附剂粒子，即产物)。所得到的一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子，它的微观形貌为板栗状，内部为非晶态氧化铁纳米粒子聚集形成的多孔结构，壳层由许多结晶的磁赤铁矿 (Y-Fe2O3)纳米棒垂直生长于非晶态氧化铁纳米粒子聚集体表面组成，具有较大的比表面积、较强的磁性和明显的异质界面。所得到的一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子，用于对水中的重金属离子进行吸附。利用场发射扫描电镜(SEM，S_4800，HitachiCo.，Ltd.，Japan)和透射电镜(TEM， JEM-2100F, JEOL Co.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，如图1中的A、B、C、D 和E所示，图1A、B和C说明了得到的产物为核壳型分级结构；图ID说明了产物的核为非晶态，图IE说明了产物的壳层为单晶纳米棒。产物能谱(EDX,S-4800,Hitachi Co.，Ltd.， Japan)如图2所示，说明了产物主要由！^和0及少量C杂质组成。利用X射线衍射(XRD， D/max-IIIA, Rigaku Co. , Ltd. , Japan)，拉曼光谱(Raman, Renishaw inVia, Britain)禾口 X 射线光电子能谱(XPS，VG Multilab 2000，USA)对所得到的核壳型分级结构的物相进行表征，如图3所示，结合TEM和SEAD分析表明制备得到产物的核为非晶态氧化铁，壳层为单晶 Y -Fe2O3纳米棒的氧化铁分级结构。磁性F^O3非晶核/ Y相壳分级结构吸附剂粒子的磁性能测试取适量实施例1中得到的磁性非晶核/Y相壳!^e2O3分级结构粉末，利用振动磁强计(VSM，ADE Co. Ltd, USA)和氮气吸附仪(Micromeritics ASAP 2020，USA)对其磁性和比表面积进行分析。其饱和磁化强度，矫顽力和剩余磁化强度分别为2. Iemu · 8^67. 90e和 0. OSemu · g-1。其比表面积为143. Im2 · g-1。说明了本发明的产物的磁性强。磁性!^e2O3非晶核/ γ相壳分级结构吸附剂粒子的吸附性能测试l)As(V)吸附动力学曲线测试首先以Na3AsO4 · 12Η20为As (V)源配置浓度为6. 96mg · L-1的As (V)溶液；然后将 0. 02g实施例1中得到的磁性非晶核/ Y相壳!^e2O3分级粒子吸附剂加入到50mL的上述溶液中，剧烈搅拌，并分别在5，10，30，60，120和ISOmin时取少许溶液磁分离悬浮粉末后利用原子发射光谱(ICP-AES, Perkin-Elmer Optima 4300DV, USA)检测其 As (V)浓度。以吸附时间和As (V)剩余浓度作图得As (V)吸附曲线，如图6A所示。表明所得的磁性非晶核/Y 相壳!^e2O3分级结构粒子能快速从污染水中吸附As (V)。说明了本发明的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。2) As (V)吸附等温曲线测试将0.02g实施例1中得到的磁性非晶核/Y相壳!^e2O3分级结构粒子粉末加入到50mL的浓度分别为6. 96，12，25，50，100，200和400mg · Γ1的As (V)溶液中，剧烈搅拌ISOmin达到吸附平衡后，取少许溶液磁分离悬浮粉末后利用原子发射光谱(ICP-AES， Perkin-ElmerOptima 4300DV，USA)检测其 As (V)吸附平衡浓度。以 As (V)吸附量和 As (V) 吸附平衡浓度作图得As (V)吸附等温曲线，并得用Origin 8. O软件对实验所得的吸附等温曲线进行Langmuir和Freundlich拟合，如图6B所示。表明所得的磁性非晶核/ Y相壳 I^e2O3分级结构粒子从污染的水中吸附As (V)的最大吸附量为137.5π^·Ρ。说明了本发明的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。3)磁分离待水处理完成后，将一 3550G的磁铁置于含磁性非晶核/ Y相壳!^e2O3分级结构吸附剂的悬浊液旁，吸附剂可在60s内与被处理溶液分离，如图6Α插图所示。说明了本发明的产物易磁分离回收利用。实施例2 将实施例1中温度调整到180°C (即200°C温度下加热改为180°C温度下加热)， 重复以上实施例1的步骤，得到产物，利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800, Hitachi Co.， Ltd. ,Japan)对产物的结构和形貌进行表征，如图4中的A和B所示，说明了得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例3 将实施例1中0. 20mmol SnCl2 · 2H20替换为0. IOmL体积分数为38 %的盐酸 (1.2mm0l)，重复以上实施例1的步骤，得到产物，利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800, Hitachi Co.，Ltd. ,Japan)对产物的结构和形貌进行表征，如图5中的A和B所示，说明了得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例4 将实施例1 中 0. 20mmol SnCl2 · 2H20 改为 0. IOmmol SnCl2 · 2H20 和 0. IOmmolFeCl3 · 6H20，重复以上实施例1的步骤，得到产物。利用场发射扫描电镜(SEM， S-4800, Hitachi Co.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，结果显示，得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例5 将实施例1中“利用磁力剧烈搅拌30min”改为利用磁力剧烈搅拌5min ；“并将其在200°C温度下加热8小时”改为并将其在160°C温度下加热1小时。其余同实施例1的步骤，得到产物。利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800，Hitachi Co.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，结果显示，得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例 1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例6
将实施例1中“利用磁力剧烈搅拌30min”改为利用磁力剧烈搅拌90min ；“并将其在200°C温度下加热8小时”改为并将其在220°C温度下加热32小时。其余同实施例1 的步骤，得到产物。利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800，Hitachi Co.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，结果显示，得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例7 将实施例1 中 0. 20mmol SnCl2 · 2H20 替换为 0. Olmmol SnCl2 · 2H20，80mL DMF 替换为10mL，重复以上实施例1的步骤，得到产物。利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800, HitachiCo.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，结果显示，得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。实施例8 将实施例1 中 0. 20mmol SnCl2 · 2H20 替换为 1. 6mmol SnCl2 · 2H20，80mL N, N- 二甲基甲酰胺(DMF)替换为160mL DMF，重复以上实施例1的步骤，得到产物。利用场发射扫描电镜(SEM，S-4800，Hitachi Co.，Ltd.，Japan)对产物的结构和形貌进行表征，结果显示， 得到的产物为氧化铁分级结构。对所得产物进行与实施例1相同的吸附性能测试结果显示，得到的产物对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数 (如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
权利要求
1.一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子，其特征在于它的微观形貌为板栗状， 内部为非晶态氧化铁纳米粒子聚集形成的多孔结构，壳层由许多结晶的磁赤铁矿纳米棒垂直生长于非晶态氧化铁纳米粒子聚集体表面组成。
2.如权利要求1所述的一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子的制备方法， 其特征在于它包括如下步骤将氯化物、Fe (CO)5和N，N-二甲基甲酰胺按照(0.01-1.6) mmol 0. 50mL (10-160)mL配比混合，在空气中剧烈搅拌5-90min，得到溶液；将上述溶液转入到反应釜中，溶液体积占反应釜总体积的40-90% ；将反应釜在160-220°C温度下加热l_32h，然后在空气中冷却至室温；收集褐色沉淀，洗净并在真空中干燥，得到板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子。
3.根据权利要求2所述的一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子的制备方法，其特征在于所述的氯化物为盐酸、SnCl2 · 2H20、FeCl3 · 6H20中的一种或二种以上的混合物， 二种以上的混合物中的原料之间的相互配比为任意配比。
4.如权利要求1所述的一种板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子的应用其特征在于它用于吸附水中的重金属离子。
全文摘要
本发明涉及一种吸附高毒性重金属离子的水处理剂——板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子及其制备方法。其特征在于内部为非晶态氧化铁纳米粒子聚集形成的多孔结构，壳层由许多结晶的磁赤铁矿纳米棒垂直生长于非晶态氧化铁纳米粒子聚集体表面组成。其制备包括如下步骤将氯化物、Fe(CO)5和N，N-二甲基甲酰胺按照(0.01-1.6)mmol∶0.50mL∶(10-160)mL配比混合，搅拌，得到溶液；将上述溶液转入到反应釜中，在160-220℃温度下加热1-32h，冷却至室温；收集褐色沉淀，洗净并在真空中干燥，得到板栗状氧化铁核壳结构磁性吸附剂粒子。具有合成方法简单，反应条件温和的优点；这种板栗状氧化铁核壳结构粒子对水中的重金属离子具有较强的吸附能力。
文档编号C02F1/62GK102151542SQ20111004439
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者官建国, 牟方志, 许蕾蕾 申请人:武汉理工大学
