專利名稱：碳與四氧化三鐵介孔復(fù)合材料及其制備和在治理環(huán)境污水中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳與四氧化三鐵介孔復(fù)合材料及其制備和在治理環(huán)境污水中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
重金屬鉛是毒性最強(qiáng)的金屬元素之一，即使在低濃度下。它不僅影響到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，腎臟，肝臟和腸胃系統(tǒng)，還可能直接或間接導(dǎo)致一些疾病，如貧血，腦病，肝炎和腎病綜合癥等。由于人類對重金屬的開采、冶煉、加工及商業(yè)制造活動日益增多，如塑料、電池、 電子及冶煉工業(yè)排放的廢水，造成水體鉛污染。據(jù)估計(jì)，1970 1979年全世界由于人類活動直接向水體排放鉛的總量約1. 6萬噸；排向大氣的總鉛量達(dá)10萬噸左右；排入土壤總鉛約為10萬噸，而排向大氣和土壤的鉛也將隨著水循環(huán)回歸入水體。近年來，隨著生活水平的提高，人們對環(huán)境、衛(wèi)生、食品安全日益關(guān)注，因此探求一種快速簡便可行的鉛去除方法極為重要?，F(xiàn)有的技術(shù)中，有多種方法可以實(shí)現(xiàn)鉛離子的去除，如化學(xué)沉淀，液液萃取，樹脂， 離子交換，接合及電滲析，這些方式在成本，效率，復(fù)雜性及造成二次污染方面存在著局限性。而吸附作為一種去除水中金屬污染物的簡單便捷且經(jīng)濟(jì)的方法被廣泛的應(yīng)用。因此各種吸附劑的選擇在很大程度上決定著吸附的可行性。在過去的十年中，研究人員為開發(fā)新的吸附劑如活性炭，顆粒鈦白粉，活性氧化鋁，沸石，合成聚合物和椰殼活性炭等，作出了巨大努力。但因它們復(fù)雜而繁瑣的固液分離程序使其應(yīng)用受到很大限制。近幾年來，磁性材料作為一種新型環(huán)境凈化材料，因其在進(jìn)行污水治理時(shí)，只需要在外部磁場的作用下便能夠?qū)崿F(xiàn)快速分離，而不會產(chǎn)生二次污染。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)珍貴被吸附物的回收，以及吸附劑的再生利用。磁性材料也因其諸多優(yōu)點(diǎn)，成為越來越多的學(xué)者專家研究的對象。Xiaole Zhang (Anal. Chem. 2010,82,2363)等都是用高聚物的分子包覆事先制備好的磁性四氧化三鐵，再在其表面結(jié)合一些特殊功能性配體，將得到的磁性材料用來去除水中污染物。但是這些磁性材料的制備過程十分復(fù)雜，往往還要用到一些毒性的有機(jī)試劑。本發(fā)明采用廉價(jià)的殼聚糖作為碳源，以硝酸鐵為鐵源。將兩者簡單混合后，依靠微通道技術(shù)，再進(jìn)行溫和的煅燒過程便可一步得到磁性復(fù)合材料。制備出的這種磁性復(fù)合材料在較短時(shí)間內(nèi)能吸附水中大量的金屬污染物，而不需要調(diào)節(jié)被污染水的PH值。本發(fā)明工藝簡單，成本低，環(huán)境友好，便于進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳與四氧化三鐵介孔復(fù)合材料及其制備方法。該制備方法簡單，制備的磁性復(fù)合材料對金屬離子鉛的吸附效果較好的。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案—種碳與四氧化三鐵復(fù)合材料，該材料中碳與四氧化三鐵的質(zhì)量比為2 1，具有介孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)206. 6m2/g。本發(fā)明的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟1)、將3. 0克殼聚糖加入到IOOmL體積濃度為3%的醋酸水溶液中，在磁力攪拌下形成均相溶液；2)、在磁力攪拌下，將3.6毫升0.5mol/L硝酸鐵溶液加入到1)得到的溶液中，繼續(xù)磁力攪拌混合成均相溶液；3)、使用2mL的注射器，取步驟2)得到的溶液，滴加到3mol/L氫氧化鈉溶液中，氫氧化鈉溶液大大過量，形成球形產(chǎn)物；4)、將步驟幻得到的產(chǎn)物過濾，濾餅在50°C條件下烘干，于管式爐中700 850°C 惰性氣體氛圍下煅燒，得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。上述的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法步驟4)中，濾餅在50°C條件下烘干， 于管式爐中800°C氮?dú)饣驓鍤饣虻?氬混合氣體氛圍下煅燒，得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明制備的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料應(yīng)用于治理環(huán)境污水中去除金屬鉛離子。本發(fā)明的效果和優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明方法得到的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料，具有介孔結(jié)構(gòu)，且比表面積達(dá) 206. 6m2/g，碳與四氧化三鐵的質(zhì)量比為2 1。2.整個(gè)工藝過程簡單易控制，耗能少，產(chǎn)率高，成本低，符合實(shí)際生產(chǎn)需要。3.與現(xiàn)有合成磁性材料技術(shù)相比，合成條件溫和，耗能少，簡單易行，產(chǎn)品純度高， 質(zhì)量穩(wěn)定。并且吸附重金屬鉛離子在10分鐘左右就可以達(dá)到吸附平衡，在10分鐘左右92 % 以上的鉛(II)被去除了。為其實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對本發(fā)明進(jìn)行說明。


圖1是實(shí)施例所制備的樣品的XRD衍射峰圖1與四氧化三鐵標(biāo)準(zhǔn)的XRD圖譜對照，可以看出制備的四氧化三鐵樣品是純的四氧化三鐵晶體(JCPDS file No. 88-31 ，其中20°左右凸起的峰形是無定形碳的特征衍射峰。圖2是實(shí)施例所得產(chǎn)物吸附鉛離子前后的XPS全譜2中吸附鉛后的全譜出現(xiàn)比較明顯的鉛(II)的特征峰。圖3、圖4、圖5是實(shí)施例所得產(chǎn)物的SEM圖其中圖3是所得復(fù)合材料微球的全貌，圖3與圖4分別是所得復(fù)合材料微球局部形貌。從SEM圖片可以明顯的看出所制備的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料表面具有介孔結(jié)構(gòu)。圖6是實(shí)施例所得的碳與四氧化三鐵對不同濃度的鉛離子的動力學(xué)吸附圖從圖可以看到在10分鐘左右就可以達(dá)到吸附平衡。說明吸附劑吸附鉛離子的速度是非?？斓?，且在10分鐘左右各有92%以上的鉛(II)被去除了。圖7是實(shí)施例所得碳與四氧化三鐵的N2吸附-脫附曲線及孔徑分布圖
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1碳與四氧化三鐵復(fù)合材料制備制備步驟依次如下1)、將3. 0克殼聚糖加入到IOOmL體積濃度為3%的醋酸水溶液中，在磁力攪拌下形成均相溶液，在磁力攪拌下，將3. 6毫升0. 5mol/L硝酸鐵溶液加入到殼聚糖的醋酸溶液中，繼續(xù)磁力攪拌混合成均相溶液。2)、使用2毫升的注射器，取上述溶液，以6厘米左右的高度滴加到盛裝有3mol/ L氫氧化鈉溶液的培養(yǎng)皿中，所裝氫氧化鈉溶液的體積占培養(yǎng)皿體積的2/3以上，氫氧化鈉溶液大大過量，立刻就形成了球形產(chǎn)物。3)、將得到的產(chǎn)物過濾，并用蒸餾水反復(fù)多次洗滌，以除去產(chǎn)物表面殘留的氫氧化鈉，將洗滌后的所得產(chǎn)物在50°C條件下烘干，于管式爐中以10°C/min的升溫速度，800°C的惰性氣體(氮?dú)?氛圍下煅燒6小時(shí)，便可以得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。實(shí)施例2實(shí)施例1制備的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料吸附污水中鉛實(shí)驗(yàn)1、稱取所得的復(fù)合材料吸附劑100毫克；2、稱取1. 5986克硝酸鉛固體用去離子水溶解，配制成濃度為IOOOmg L—1的鉛的標(biāo)準(zhǔn)溶液3、移取步驟2的標(biāo)準(zhǔn)溶液分別稀釋成2. 0，4. 0，6. 0，8. 0，10. 0和20. Omg L-1的模擬污水各100毫升備用4、吸附污水中鉛實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，不需要調(diào)節(jié)污水的pH值，碳與四氧化三鐵復(fù)合材料濃度是l.Og L—1，將吸附劑均勻分散到污水中之后開始計(jì)時(shí)，整個(gè)吸附過程保持機(jī)械攪拌，分不同時(shí)間進(jìn)行取樣，所取樣液用直徑為0. 45 μ m的濾膜過濾，濾掉吸附劑后，濾液馬上用原子吸收光譜(型號為WFX-1F2，中國)進(jìn)行分析。將分析結(jié)果繪制成動力學(xué)吸附圖如圖6。在本次的吸附模擬污水實(shí)驗(yàn)中，對2. 0,4. 0,6. 0,8. 0，10. 0和20. OmgL"1 的模擬污水各100毫升，吸附劑的用量是100毫克，在10分鐘左右就可以達(dá)到吸附平衡，且在10分鐘左右各有92%以上的鉛(II)被去除了。
權(quán)利要求
1.一種碳與四氧化三鐵復(fù)合材料，其特征在于該材料中碳與四氧化三鐵的質(zhì)量比為 2 1，具有介孔結(jié)構(gòu)，比表面積達(dá)206.6m2/g。
2.權(quán)利要求1所述的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)、將3.0克殼聚糖加入到IOOmL體積濃度為3%的醋酸水溶液中，在磁力攪拌下形成均相溶液；2)、在磁力攪拌下，將3.6毫升0. 5mol/L硝酸鐵溶液加入到步驟1)得到的溶液中，繼續(xù)磁力攪拌混合成均相溶液；3)、使用2mL的注射器，取步驟2)得到的溶液，滴加到3mol/L氫氧化鈉溶液中，形成球形產(chǎn)物；4)、將步驟幻得到的產(chǎn)物過濾，濾餅在50°C條件下烘干，于管式爐中700 850°C惰性氣體氛圍下煅燒，得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。
3.如權(quán)利要求2所述的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟4)中， 濾餅在50°C條件下烘干，于管式爐中800°C氮?dú)饣驓鍤饣虻?氬混合氣體氛圍下煅燒，得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。
4.權(quán)利要求1所述的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于應(yīng)用于治理環(huán)境污水中去除重金屬鉛離子。
全文摘要
本發(fā)明公開了碳與四氧化三鐵介孔復(fù)合材料及其制備和在治理環(huán)境污水中的應(yīng)用。它以殼聚糖為碳源，以九水合硝酸鐵，醋酸，氫氧化鈉為原料，在室溫下通過微通道輔助方法，得到碳與四氧化三鐵復(fù)合材料。本發(fā)明方法制備的碳與四氧化三鐵復(fù)合材料具有介孔結(jié)構(gòu)，比表面積比較大，該材料中碳與四氧化三鐵的質(zhì)量比為2∶1。由于該材料具有磁性，因而在外部磁場的作用下便能夠?qū)崿F(xiàn)快速分離。制備出的碳與四氧化三鐵磁性復(fù)合材料在較短的時(shí)間內(nèi)能吸附被污染水中重金屬鉛離子，而不產(chǎn)生類似絮凝劑的污染物。本發(fā)明工藝簡單，成本低，對環(huán)境友好，符合實(shí)際生產(chǎn)需要。
文檔編號B01J20/28GK102225329SQ20111011863
公開日2011年10月26日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者王小慶, 龔靜鳴 申請人:華中師范大學(xué)