本發(fā)明屬于納米技術(shù)和水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

自組裝納米材料因其特有的形貌和納米粒子尺寸，使其往往具有特殊的光學、磁學、電學性能，導(dǎo)致其在功能材料方面有著廣泛的應(yīng)用。近年來大量研究者致力于研究納米晶體的生長機理和結(jié)晶過程從而有效控制納米材料的尺寸和形貌。由此制備的分層、有序排列的納米材料在醫(yī)藥、陶瓷、催化劑、染料和水處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

氣凝膠作為一種新型的納米材料，因其獨有的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、超高比表面積、超高孔隙率、較低的表觀密度、高吸附性能等特點使其在吸附劑、催化劑、傳感器、燃料儲存介質(zhì)等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

Mn₃O₄磁性材料由于其低成本、低毒性，結(jié)構(gòu)多變等特點被廣泛應(yīng)用于磁性材料、油漆色料、催化劑和催化載體等領(lǐng)域，因此在保證低生產(chǎn)成本條件下，提高Mn₃O₄純度和比表面積，降低粒徑，更好發(fā)揮其載體和催化等方面的效果，已成為制備Mn₃O₄磁性材料主要考慮的因素。

集磁性特征和氣凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一體的自組裝納米吸附材料的開發(fā)應(yīng)用具有廣闊的前景，主要基于以下三方面的原因：(1)氣凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料有較高的吸附容量；(2)磁性材料在吸附應(yīng)用中便于分離回收，可以重復(fù)利用；(3)量子點自組裝納米材料由于組裝粒子是納米小尺寸顆粒，具有一定的量子效應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，目的在于提供一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料及其制備方法和應(yīng)用。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將錳鹽溶解在乙二醇和水的混合溶液中，常溫下磁力攪拌直至形成粉色透明溶液；

(2)向步驟(1)所得粉色透明溶液中加入表面活性劑，通過超聲、常壓磁力攪拌，使錳鹽與表面活性劑均勻結(jié)合在一起；

(3)向步驟(2)所得溶液中加入促凝劑，水浴加熱磁力攪拌，得到褐色渾濁液，離心分離、洗滌后取沉淀；將沉淀冷凍干燥，即得到Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料。

上述方案中，所述錳鹽為硫酸錳或氯化錳。

上述方案中，所述錳鹽與所述混合溶液的摩爾體積比為16mmol：55mL。

上述方案中，所述乙二醇和水的體積比為4.5:1。

上述方案中，所述表面活性劑為PVA和AOT的混合物，所述PVA和AOT的體積比為1:1。

上述方案中，所述表面活性劑在所述粉色透明溶液中的質(zhì)量濃度為1.5～2.0g/L。

上述方案中，步驟(3)所述促凝劑為1,2-環(huán)氧丙烷，所述1,2-環(huán)氧丙烷與步驟(1)所述混合溶液的體積比為8～12:55。

上述方案中，步驟(3)所述水浴加熱的溫度為70～90℃。

上述制備方法制備得到的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料。

上述Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料在吸附水體中微量甲醛、硝基苯類有機污染物中的應(yīng)用。

本發(fā)明所述制備方法利用了金屬鹽與“軟”模板(表面活性劑)分子間發(fā)生作用從而控制前驅(qū)體最初的排列方式，然后在醇水混合溶劑作用下，加入1,2-環(huán)氧丙烷促凝劑促進鹽類的水解和金屬離子的氧化還原制備按照“軟模板”膠束限定方向排列生長的納米顆粒，最終獲得量子點自組裝花狀納米結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明制備的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料比表面積高、密度低、純度高，具有一定的量子效應(yīng)，極大的提高了材料的吸附容量，對水體中微量甲醛、硝基苯等一類有機污染物有較好的吸附能力。

(2)本發(fā)明采用1,2-環(huán)氧丙烷促凝水解法，在“軟”模板PVA和AOT混合表面活性劑存在的條件下，使Mn₃O₄納米磁性顆粒按照“軟模板”膠束限定方向排列生長，最終獲得量子點自組裝花狀納米結(jié)構(gòu)的吸附材料，所述制備過程操作簡單、原料廉價、成本低、綠色環(huán)保，有望工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所制備的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的X射線衍射圖。

圖2為本發(fā)明所制備的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的掃描電鏡圖。

圖3為本發(fā)明所制備的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的高分辨透射電鏡圖。

圖4為本發(fā)明所制備的Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料對甲醛、硝基苯的吸附實驗圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。

實施例1

一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的制備方法，通過如下方法制備得到：

(1)將16mmol MnCl₂·4H₂O溶解在乙二醇和水的混合液55ml中(乙二醇和水的體積比4.5:1)常溫下磁力攪拌1h，直至形成粉色透明溶液，加入PVA和AOT(PVA和AOT的體積比為1:1)混合的表面活性劑(濃度為1.5g/L)，超聲30min后繼續(xù)常壓磁力攪拌2h；

(2)向以上溶液中加入1,2-環(huán)氧丙烷8mL，水浴75℃加熱磁力攪拌12h，得到褐色渾濁液，離心分離，用去離子水洗滌兩次，將收集到的沉淀放入冷凍干燥器中干燥，即得到Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料。

實施例2

一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的制備方法，通過如下方法制備得到：

(1)將16mmol MnSO₄·7H₂O溶解在乙二醇和水的混合液55mL中(乙二醇和水的體積比4.5:1)常溫下磁力攪拌1h，直至形成粉色透明溶液，加入PVA和AOT(PVA和AOT的體積比為1:1)混合的表面活性劑(濃度為1.8g/L)，超聲30min后繼續(xù)常壓磁力攪拌2h；

(2)向以上溶液中加入1,2-環(huán)氧丙烷10mL，水浴80℃加熱磁力攪拌12h，得到褐色渾濁液，離心分離，用去離子水洗滌兩次，將收集到的沉淀放入冷凍干燥器中干燥，即得到Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料。

實施例3

一種Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的制備方法，通過如下方法制備得到：

(1)將16mmol MnCl₂·4H₂O溶解在乙二醇和水的混合液55mL中(乙二醇和水的體積比4.5:1)常溫下磁力攪拌1h，直至形成粉色透明溶液，加入PVA和AOT(PVA和AOT的體積比為1:1)混合的表面活性劑(濃度為2g/L)，超聲30min后繼續(xù)常壓磁力攪拌2h；

(2)向以上溶液中加入1,2-環(huán)氧丙烷12mL，水浴85℃加熱磁力攪拌12h，得到褐色渾濁液，離心分離，用去離子水洗滌兩次，將收集到的沉淀放入冷凍干燥器中干燥，即得到Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料。

采用X射線衍射對本發(fā)明制備所得Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的結(jié)構(gòu)特征及相關(guān)物相參數(shù)進行了分析測試，測試結(jié)果見圖1，從圖中可以看出：在2θ＝32.38°，36.13°，59.88°處出現(xiàn)3個強衍射峰，與PDF卡片庫中Mn₃O₄的標準譜圖位置吻合(JCPDS:No.24-0734,)。

采用掃描電鏡、高分辨透射電鏡對本發(fā)明制備所得Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料的結(jié)構(gòu)進行表征，圖2為Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料掃描電鏡圖，從圖2可以看出：所述Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料明顯呈現(xiàn)花狀結(jié)構(gòu)，圖3為Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料高分辨透射電鏡圖，從圖3可以看出：所述Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料明顯呈現(xiàn)小量子點無序緊密排列組裝結(jié)構(gòu)。

取60mL含20mg/L甲醛的水溶液，pH＝5～7，向其中加入20mg本發(fā)明制備所得Mn₃O₄納米磁性氣凝膠吸附材料，在室溫攪拌吸附一定時間。用磁鐵將吸附材料移除，檢測吸附后溶液中甲醛含量，計算去除率。甲醛去除率與吸附時間變化曲線如圖4所示，隨著吸附時間的增加，溶液中甲醛的去除率逐漸升高，在100min左右吸附達到平衡，甲醛去除率高達94％左右。在相同條件下，用同樣濃度的硝基苯溶液代替甲醛溶液做重復(fù)實驗，硝基苯去除率與吸附時間變化曲線如圖4，在140min左右吸附達到平衡，硝基苯去除率高達96％左右。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。