CN103721671A - 一种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒及其制备方法和用途。该颗粒具备内核和外壳的核壳型结构，内核为高岭土矿物，外壳为纳米磁性氧化铁，纳米磁性氧化铁的成分是Fe3O4，纳米磁性氧化铁粒子大小为10-80nm。由如下步骤制备：将充分溶解的聚乙烯吡咯烷酮溶液水浴，加入高岭土，充分混合后加入碱液调整体系pH值，然后加入亚铁盐溶液，再在剧烈搅拌下逐滴滴入铁盐溶液，使之产生棕黑色沉淀，同时不断加入碱液保持体系pH值于8～10；水浴老化后，充分洗涤并过滤，将沉淀物真空干燥烘干，冷却后碾碎即得到该颗粒。该颗粒能用于对高砷地下水中砷的原位修复。该颗粒吸附能力强，能高效去除水体中的砷等污染物质，且制备简单，原材料价廉易得，极易得到推广应用。

Description

一种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒及其制备方法和用途，属于水处理技术领域。
背景技术
砷及砷化物是世界卫生组织(WHO)下属的诸多权威机构所公认的致癌物。由于人类的生产生活，如采矿、冶炼、灌溉、含砷农药的施用等活动，地层中砷化物随着降雨、地表径流，地下水入渗等过程进入地表水和地下水，以砷酸盐及亚砷酸盐等形式大量溶入取水特别是打井取水饮用等活动，以及受各地区的气候和生态环境影响，地表水中，一部分进入地下水，带来了严重的水体砷污染问题。
砷酸盐与亚砷酸盐易被氧化铁吸附而沉淀。纳米氧化铁比表面积大，除砷速度和砷的去除率高，吸附容量大。而磁性材料具有在磁场的作用下发生迁移的特点，固液分离效果好，不会产生二次污染，适合于应用到水体的砷污染修复中。但由于磁性Fe3O4粒子本身的粒径太小，制备的磁性Fe3O4纳米颗粒容易发生团聚，常常形成200一400nm的簇，且颗粒的大小不容易调节，使其应用范围受到很大限制，同时也对除砷的效果有很大影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中磁性Fe3O4纳米颗粒容易发生团聚的缺陷，提供一种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒及其制备方法和用途，制备这种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的原材料来源丰富，颗粒制备方法简便，除砷效果好，能有效解决现有的水体砷污染严重的问题。
实现本发明目的所采用的技术方案是：纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒具备内核和外壳的核壳型结构，内核为高岭土矿物，外壳为纳米磁性氧化铁，纳米磁性氧化铁的成分是Fe3O4，纳米磁性氧化铁粒子大小为10-80nm。
本发明还提供了该纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的制备方法，具体包括如下步骤：将充分溶解的质量百分比1～6%浓度的聚乙烯吡咯烷酮溶液在70～90℃水浴，加入高岭土，使其质量控制在聚乙烯吡咯烷酮溶液质量的0.3～3%，充分混合后，加入碱液调整体系pH值至8～10，然后在不断搅拌下，加入质量百分比浓度为5～25%的亚铁盐溶液，其中亚铁盐质量为高岭土的6～10倍，再在剧烈搅拌下逐滴滴入摩尔数量为亚铁盐摩尔数量1.8～2倍的铁盐溶液，使之产生棕黑色沉淀，同时不断加入碱液保持体系pH值于8～10；水浴老化后，采用去离子水和乙醇交替洗涤充分并过滤，将棕黑色沉淀物真空干燥烘干，冷却后碾碎，得到纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒。
本发明提供的纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒能用于对高砷地下水中砷的原位修复。
由上述技术方案可知，本发明提供的纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒具备内核和外壳的核壳型结构，内核为高岭土矿物，外壳为纳米磁性氧化铁，高岭土是粘土的主要成分（约占80-90%），它是自然界最常见的物质之一。本发明通过共沉淀法，将纳米磁性颗粒负载在高岭土表面，形成核壳结构颗粒，可以解决纳米磁性颗粒的团聚问题，同时能将纳米材料固定，克服纳米材料随地下水的流动而发生的迁移、损失问题，所制得具有磁性、比表面积大、除砷效率高的颗粒。
本发明具有的有益效果如下：
1、纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的比表面积大，吸附容量大，在外加磁场作用下产生固液分离效果好，在水处理领域具有重要的应用前景，。
2、纳米氧化铁负载在高岭土表面后，能将纳米材料固定，克服纳米材料随地下水的流动而发生的迁移、损失问题。
3、原材料如高岭土、铁盐、亚铁盐等是常见易得、价廉的材料。纳米磁性氧化铁/高岭土的制作简单，可以实现大规模生产，极易得到推广应用。
4、该纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒适合于应用到污染水体的砷污染修复中，且除砷速度快，除砷效率高，吸附容量大，不会产生二次污染，材料的使用时间长。
5、本发明对污染水体的其他污染物质的修复治理亦有借鉴意义。
附图说明
图1为纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的透射电镜(TEM)图。
图2为纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒被磁铁吸引的状态图。
实施例1：
纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的制备：将高岭土充分碾碎后过500目筛，将500目的高岭土用1M的盐酸洗净，再去离子水洗涤3-5次，105℃干燥后备用。称取20克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）充分溶解到400mL去离子水中，约0.5-1小时后，置于90℃水浴锅中，称取2克干燥后的高岭土，加入PVP溶液中，用4M NaOH调节体系pH值至10，在不断搅拌下，加入溶解有13.9克FeSO4·7H2O的溶液100ml，再在剧烈搅拌下，逐滴滴入溶解有24.4克FeCl3·6H2O的溶液100ml，产生棕黑色沉淀，同时用4M NaOH不断调整体系pH使其保持在10左右。继续水浴搅拌1小时，然后水浴静置老化12小时。除去上清液后，加入去离子水和乙醇充分洗涤5次，直至去除盐分和水溶性物质，用漏斗过滤，将所得的固体在60℃真空干燥24小时后碾碎过筛，待其冷却，即获得纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒。通过图1所示的纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的透射电镜(TEM)图，可以发现其具备内核和外壳的核壳型结构，结合制备过程分析可知，其内核为高岭土矿物，外壳为纳米磁性氧化铁，纳米磁性氧化铁的成分是Fe3O4，纳米磁性氧化铁粒子大小为10-80nm。由图2所示的纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒被磁铁吸引的状态图，可知该材料具有优良的磁性。
纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的应用：在初始砷浓度为2mg/L、pH7.0的水体中以5g/L的使用量加入该纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒，10分钟和3小时后分别测定体系中砷浓度，计算除砷效率。由测定结果可知该纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒对水体中亚砷酸盐和砷酸盐的10分钟去除率可达到95.6%和97.8%，3小时候的去除率可达到99.1%和99.9%。
实施例2：
纳米磁性氧化铁/高岭土的制备：500目的高岭土用盐酸洗净，105℃干燥后备用。称取25克PVP充分溶解到500mL去离子水中，约0.5-1小时后，置于70℃水浴锅中，称取2.5克干燥后的高岭土，加入上述溶液中，用5M NaOH调节pH值至8，剧烈搅拌，加入溶解有14.9克FeCl2·4H2O的溶液100ml，再在剧烈搅拌下，逐滴滴入溶解有36.5克FeCl3·6H2O的溶液100ml，产生棕黑色沉淀，同时用5M NaOH不断调整体系pH使其保持在8左右。继续水浴搅拌1小时，然后水浴静置老化8小时。除去上清液后，加入去离子水和乙醇充分洗涤5次，直至去除盐分和水溶性物质，用漏斗过滤，将所得的固体在60℃真空干燥24小时后碾碎过筛，待其冷却，即得到纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒。
纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的应用：在初始砷浓度为1mg/L、pH7.0的水体中以1g/L的使用量加入该纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒除砷，10分钟和3小时后分别测定体系中砷浓度，计算除砷效率。该材料对水体中亚砷酸盐和砷酸盐的10分钟去除率可达到94.9%和96.2%，3小时候的去除率可达到98.3%和99.5%。

Claims (7)

1.一种纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒，其特征在于：纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒具备内核和外壳的核壳型结构，内核为高岭土矿物，外壳为纳米磁性氧化铁，纳米磁性氧化铁的成分是Fe3O4，纳米磁性氧化铁粒子大小为10-80nm。
2.一种权利要求1所述纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的制备方法，其特征在于包括如下具体步骤：将充分溶解的质量百分比浓度1～6%的聚乙烯吡咯烷酮溶液在70～90℃水浴，加入高岭土，使其质量控制在聚乙烯吡咯烷酮溶液质量的0.3～3%，充分混合后，加入碱液调整体系pH值至8～10，然后在不断搅拌下，加入质量百分比浓度为5～25%的亚铁盐溶液，其中亚铁盐质量为高岭土的6～10倍，再在剧烈搅拌下逐滴滴入摩尔数量为亚铁盐摩尔数量1.8～2倍的铁盐溶液，使之产生棕黑色沉淀，同时不断加入碱液保持体系pH值于8～10；水浴老化后，采用去离子水和乙醇交替洗涤充分并过滤，将棕黑色沉淀物真空干燥烘干，冷却后碾碎，得到纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：将聚乙烯吡咯烷酮充分溶解于去离子水中0.5～1小时后，70～90℃水浴。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：将高岭土充分碾碎后过500目筛，经稀盐酸清洗干净，去离子水洗涤3-5次，干燥后使用。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：调整体系pH值的碱液为4～5M的氢氧化钠溶液。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：水浴老化时间为6-12小时。
7.权利要求1所述纳米磁性氧化铁/高岭土颗粒的用途，其特征在于：纳米磁性氧化铁/高岭土粒子用于对高砷地下水中砷的去除。
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