CN104785214A - 壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子及其制备方法和应用,其特征在于:采用共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子;使用溶胶-凝胶法制备磁性二氧化硅纳米粒子,利用离子交换法移除致孔剂得到磁性介孔二氧化硅纳米粒子;使用硅烷偶联剂对磁性介孔二氧化硅进行表面处理,然后再接壳聚糖,即得目标产物。本发明所得产物中引入了四氧化三铁纳米粒子,使得产物在完成吸附后可以通过外加磁场快速实现分离回收;本发明的产物对亚甲基蓝具有优异的吸附效果。
Description
技术领域
本发明涉及壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅纳米粒子及其制备方法和应用,属于水处理领域。
背景技术
由于介孔二氧化硅具有有序的介孔结构,被广泛应用于吸附金属离子、染料和其他的有机化合物,且介孔二氧化硅的比表面积大,使得其化学和物理吸附过程比较快。此外,介孔二氧化硅的孔壁上有许多羟基,这使得介孔二氧化硅容易功能化,从而具有特殊的性能。
壳聚糖是甲壳素脱乙酰之后的产物,它具有很好的生物可降解性、生物相容性、低毒性和可再生性等。壳聚糖被广泛应用于化妆品、造纸、食品工程、医药、农业和污水处理等方面。壳聚糖的分子结构中存在大量的羟基和氨基,使得其具有良好的吸附性能。把壳聚糖接在介孔二氧化硅上所得到的复合材料同时具有二者的优点,具有广阔的应用前景。
如专利号为201410188283.7(授权公号为CN10961713A)的中国发明专利《一种壳聚糖修饰的介孔二氧化硅基缓控释材料的应用》,披露了一种介孔二氧化硅基的pH响应性自由基释放体系的应用,利用介孔二氧化硅负载自由基化合物,然后再把壳聚糖修饰在介孔二氧化硅上,把壳聚糖修饰的负载自由基的介孔二氧化硅分散在pH分别为7.4和6.5的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中,测试释放情况,结果显示在pH7.4的PBS环境中的释放量要明显低于在pH6.5的PBS环境中的药物释放量。
Gao等制备了壳聚糖修饰的介孔二氧化硅复合材料,并用此种复合材料吸附染料酸性红18,吸附量高达232.6mg/g,然而没有被壳聚糖修饰的介孔二氧化硅的吸附量比较低。
尽管壳聚糖包介孔二氧化硅的报道很多,应用也多种多样,但却都普遍存在难分离的问题。
发明内容
为避免上述现有技术所存在的不足之处,本发明的一个目的是提供壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子及其制备方法,所要解决的技术问题是使壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子在完成吸附后可以方便快捷的分离出来。
本发明的另一目的是提供一种壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的应用。
本发明解决技术问题,采用如下技术方案:
本发明壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的制备方法,其特点在于按如下步骤进行:
步骤a、制备四氧化三铁的水分散液
将0.05g~0.15g四氧化三铁纳米粒子均匀分散在氯仿中,获得四氧化三铁的氯仿分散液;将四氧化三铁的氯仿分散液与20mL浓度为0.025g/mL的致孔剂的水溶液混合,加热使氯仿挥发完全,完成相转移,获得四氧化三铁的水分散液;
步骤b、制备磁性二氧化硅纳米粒子
将步骤a所获得的四氧化三铁的水分散液加入到pH值为11.2的碱溶液中,升温至40℃,加入2.5mL正硅酸乙酯和10mL乙酸乙酯,恒温反应6h,获得磁性二氧化硅纳米粒子的分散液,离心分离,获得磁性二氧化硅纳米粒子;
步骤c、制备磁性介孔二氧化硅纳米粒子
将步骤b所获得的磁性二氧化硅纳米粒子分散于200mL浓度为10mg/L的硝酸铵的乙醇溶液中,在80℃回流反应6h,去除所述磁性二氧化硅纳米粒子中的致孔剂,获得磁性介孔二氧化硅纳米粒子的分散液,然后离心分离,获得磁性介孔二氧化硅纳米粒子;
步骤d:制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子
将25mg~75mg壳聚糖加入到10mL质量浓度为3%的醋酸溶液中,磁力搅拌12h,获得壳聚糖溶液;
将25mg步骤c所获得的磁性介孔二氧化硅纳米粒子加入到pH值为3.5-4.5的醋酸溶液中,然后加入200μL硅烷偶联剂,室温反应3h,加入所述壳聚糖溶液,室温反应24h,获得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的分散液,离心分离,即获得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子。
优选的,步骤a所述加热是在60℃加热30min。
所述致孔剂为十六烷基三甲基溴化铵。
所述硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
所述四氧化三铁纳米粒子是按如下步骤进行制备:取120mL蒸馏水,通氮气10min后加入4.80g六水氯化铁和2.01g四水氯化亚铁,升温到70℃,加入10mL浓度为23g/L的氨水,恒温搅拌30min后加入0.85mL油酸,继续恒温反应2.5h,获得四氧化三铁纳米粒子的分散液,磁铁分离,即得四氧化三铁纳米粒子。
本发明还公开了按上述制备方法所制备的壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子,以及其用于吸附亚甲基蓝的应用。
本发明的有益效果体现在:
1、本发明在介孔二氧化硅上包覆了壳聚糖,提高了产品对染料的吸附能力;
2、本发明在壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中引入了四氧化三铁纳米粒子,使得产物在完成吸附后可以通过外加磁场快速实现分离回收;
3、本发明的壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子对亚甲基蓝具有优异的吸附性能。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的四氧化三铁纳米粒子的透射电子显微(TEM)照片;
图2为本发明实施例1所制备的四氧化三铁纳米粒子的X-射线衍射(XRD)图;
图3为本发明实施例1所制备的磁性介孔二氧化硅纳米粒子的透射电子显微(TEM)照片;
图4为本发明实施例1所制备的壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的透射电子显微(TEM)照片;
图5为磁性介孔二氧化硅纳米粒子和壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的热失重分析(TGA)图;
图6为壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子对亚甲基蓝的吸附照片,以及吸附后在外加磁场下的分离效果图。
图7为壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子对亚甲基蓝的吸附随时间变化曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例首先按如下步骤制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子:
1、通过共沉积法制备四氧化三铁纳米粒子
取120mL蒸馏水,通氮气10min后加入4.80g六水氯化铁和2.01g四水氯化亚铁,升温到70℃,加入10mL浓度为23g/L的氨水,搅拌30min后加入0.85mL油酸,继续反应2.5h后,获得四氧化三铁纳米粒子的分散液,磁铁分离,所得产物依次水洗、乙醇洗,获得四氧化三铁纳米粒子,把四氧化三铁纳米粒子分散在氯仿中,测固含量为0.1g/mL。
图1为本实施例所得四氧化三铁纳米粒子分散于氯仿中的TEM图,从图中可以看出四氧化三铁纳米粒子基本呈圆形,粒径大概15nm,在氯仿中分散良好。
图2为本实施例所得四氧化三铁纳米粒子的XRD图,从图中可以看出图中六个峰分别对应四氧化三铁的(220),(311),(400),(422),(511),(440)晶面,说明四氧化三铁的结晶良好。
2、制备四氧化三铁的水分散液
取1mL四氧化三铁的氯仿分散液(含四氧化三铁0.1g)与20mL浓度为0.025g/mL的十六烷基三甲基溴化铵的水溶液混合,加热到60℃,拔掉瓶塞,蒸发30min,使氯仿挥发完全,完成相转移,获得四氧化三铁的水分散液;
3、制备磁性二氧化硅纳米粒子
在172mL的水中加入1.4mL 2mol/L的氢氧化钠溶液,构成pH值=11.2的碱溶液;
将四氧化三铁的水分散液加入到碱溶液中,升温至40℃,滴加2.5mL正硅酸乙酯和10mL乙酸乙酯,快速搅拌均匀,然后恒温反应6h,获得磁性二氧化硅纳米粒子的分散液,离心分离,所得固体产物分别用水和乙醇洗涤三次,即得到磁性二氧化硅纳米粒子;
4、制备磁性介孔二氧化硅纳米粒子
将磁性二氧化硅纳米粒子分散于200mL浓度为10mg/L的硝酸铵的乙醇溶液中,在80℃回流反应6h,去除磁性二氧化硅纳米粒子中的致孔剂,获得磁性介孔二氧化硅纳米粒子的分散液,然后离心分离,所得固体产物分别用水和乙醇洗涤三次,冷冻干燥即得到磁性介孔二氧化硅纳米粒子;
图3为所得磁性介孔二氧化硅纳米粒子的TEM图,从图中可以看出磁性介孔二氧化硅纳米粒子呈圆形,分散均匀,能够明显地看到有介孔,粒径大概100nm,且每个磁性介孔二氧化硅的内部都包含不止一个四氧化三铁纳米粒子。
5:制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子
将50mg壳聚糖加入到10mL质量浓度为3%的醋酸溶液中,磁力搅拌12h,获得壳聚糖溶液;
将25mg磁性介孔二氧化硅纳米粒子分散于10mL无水乙醇中,用醋酸调节pH,使得pH在3.5-4.5之间,然后加入200μLγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,室温反应3h,加入上述的壳聚糖溶液,室温反应24h,获得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的分散液,离心分离,所得固体产物分别用乙醇和水清洗,即得到壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子。
图4为所得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的TEM图,比较图3和图4可以发现,图4中介孔二氧化硅纳米粒子的表面变得粗糙,且粒径增加到大概105nm,说明壳聚糖的厚度大概为5nm。
图5为所得磁性介孔二氧化硅纳米粒子(a)和壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子(b)的TGA曲线,比较二者的失重可以发现,壳聚糖的失重占9%,说明在壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中壳聚糖占了9%。
为验证本实施例所得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子对亚甲基蓝的吸附性能,作如下测试:
用容量瓶配浓度为20ppm的亚甲基蓝溶液(如图6(a)所示);取20mg的壳聚糖包覆的磁性介孔二氧化硅纳米粒子,分散于50mL的亚甲基蓝溶液中,进行吸附(如图6(b)所示);吸附饱和后,通过磁铁分离,图6(c)为磁铁分离3min时的照片,可以看出亚甲基蓝被完全吸附,并且磁响应性比较强,只需要3min就可以把吸附亚甲基蓝后的纳米粒子完全移走。
对亚甲基蓝的吸附随着时间的变化如图7所示,图7中随着时间的延长长对亚甲基蓝的吸附量增加,到300min处达到吸附平衡,吸附量为43mg/g。
实施例2
本实施例按实施例1相同的方式制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子,区别仅在于步骤2中四氧化三铁纳米粒子的量为0.05g。
经表征,本实施例所得的单个壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中所含有的四氧化三铁的个数减少了。
实施例3
本实施例按实施例1相同的方式制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子,区别仅在于步骤2中四氧化三铁纳米粒子的量为0.15g。
经表征,本实施例所得的单个壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中所含有的四氧化三铁的个数增加了。
实施例4
本实施例按实施例1相同的方式制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子,区别仅在于步骤5中壳聚糖的质量改为25mg。
经表征,本实施例所得的单个壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中壳聚糖的厚度变薄,所得产物的粒径减小。
实施例5
本实施例按实施例1相同的方式制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子,区别仅在于步骤5中壳聚糖的质量改为75mg。
经表征,本实施例所得的单个壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子中壳聚糖的厚度变厚,所得产物的粒径增加。
Claims (7)
1.壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的制备方法,其特征在于按如下步骤进行:
步骤a、制备四氧化三铁的水分散液
将0.05g~0.15g四氧化三铁纳米粒子均匀分散在氯仿中,获得四氧化三铁的氯仿分散液;将四氧化三铁的氯仿分散液与20mL浓度为0.025g/mL的致孔剂的水溶液混合,加热使氯仿挥发完全,完成相转移,获得四氧化三铁的水分散液;
步骤b、制备磁性二氧化硅纳米粒子
将步骤a所获得的四氧化三铁的水分散液加入到pH值为11.2的碱溶液中,升温至40℃,加入2.5mL正硅酸乙酯和10mL乙酸乙酯,恒温反应6h,获得磁性二氧化硅纳米粒子的分散液,离心分离,获得磁性二氧化硅纳米粒子;
步骤c、制备磁性介孔二氧化硅纳米粒子
将步骤b所获得的磁性二氧化硅纳米粒子分散于200mL浓度为10mg/L的硝酸铵的乙醇溶液中,在80℃回流反应6h,去除所述磁性二氧化硅纳米粒子中的致孔剂,获得磁性介孔二氧化硅纳米粒子的分散液,然后离心分离,获得磁性介孔二氧化硅纳米粒子;
步骤d:制备壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子
将25mg~75mg壳聚糖加入到10mL质量浓度为3%的醋酸溶液中,磁力搅拌12h,获得壳聚糖溶液;
将25mg步骤c所获得的磁性介孔二氧化硅纳米粒子加入到pH值为3.5-4.5的醋酸溶液中,然后加入200μL硅烷偶联剂,室温反应3h,加入所述壳聚糖溶液,室温反应24h,获得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的分散液,离心分离,即获得壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:步骤a所述加热是在60℃加热30min。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述致孔剂为十六烷基三甲基溴化铵。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述四氧化三铁纳米粒子是按如下步骤进行制备:取120mL蒸馏水,通氮气10min后加入4.80g六水氯化铁和2.01g四水氯化亚铁,升温到70℃,加入10mL浓度为23g/L的氨水,恒温搅拌30min后加入0.85mL油酸,继续恒温反应2.5h,获得四氧化三铁纳米粒子的分散液,磁铁分离,即得四氧化三铁纳米粒子。
6.一种权利要求1、2、3、4或5所述制备方法所制备的壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子。
7.一种权利要求6所述壳聚糖包覆磁性介孔二氧化硅核-壳结构纳米粒子的应用,其特征在于:用于吸附亚甲基蓝。
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