CN101036873A - 有机膦酸过渡金属盐分级孔材料的制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多级孔材料的制备，特别是一种具有多级孔结构的有机无机杂合材料的制备方法及其应用。它是具有介孔—大孔结构的在表面和骨架中结合了不同有机膦酸基团的过渡金属瞵酸盐，其中有机膦酸P重量百分含量为1wt％－17wt％，所述的过渡金属盐是钛、铝、锆等盐。该材料是采用水热合成法直接合成的，本产品用于重金属离子吸附，取得较好的吸附效果，且本发明所用设备简单，合成条件温和，且原料易得，适易工业放大生产。

Description

有机膦酸过渡金属盐分级孔材料的制备方法与应用
技术领域
本发明涉及多级孔材料的制备，特别是一种有机膦酸过渡金属盐多孔材料的制备方法及应用。新型有机无机杂合金属氧化物和膦酸盐(钛、铝、锆等盐)材料用于重金属离子吸附。
背景技术
多孔材料，如分子筛等，由于其大的比表面，有序的孔道结构一直受到广泛的关注，并被尝试应用于催化、吸附、分离及传感器等研究领域。CN1387942A公开了一种高吸附性硅酸钛的制备方法，采用正硅酸乙酯为硅源，聚乙二醇(PEG-600)为添加剂，分步合成了一种具有纳米孔结构的硅酸钛。该法须严格控制水解条件，合成时间长，步骤繁琐，条件苛刻且产品水热稳定型差。近年来出现的有机无机杂合介孔材料由于有机功能团以一步共聚或嫁接引入无机孔材料后，不仅提高了孔材料的水热稳定，而且，也大大增强了其对重金属离子的吸附性能。CN1727061A公开了一种重金属离子吸附剂的制备方法，该法采用非离子型聚合物(Brij-76)和嵌段共聚物P123为模板剂，有机硅烷(MeO)3SiCH2CH2Si(MeO)3和(MeO)3SiCH2CH2CH2SH为硅源，合成具有大比表面，有序孔结构的有机/无机杂合介孔材料，用于金属离子吸附，取得较好的结果。然而这种有机无机杂合的介孔氧化硅的制备，通常都是采用有机硅烷作为前体，聚合物及共聚物为模板，不仅原料不易得，而且价格昂贵，同时也限制了有机功能团及孔墙材质的选择。而兼有大孔/介孔的多级孔结构，不仅能提供更厚的孔墙，增大材料机械强度，而且超大的孔尺寸有效改善流体在孔道中的传质，增大金属离子扩散速度；其中介孔墙为活性中心提供较大比表面。多孔材料在吸附、催化、离子交换等方面已经表现出许多潜在的性质。磷酸修饰的金属氧化物及磷酸盐多孔材料一直备受关注，有机膦酸盐材料更是目前全世界研究的热点。但是目前仅有的几篇关于有机膦酸修饰的氧化铝和氧化钒材料都只局限在介孔范围。我们合成出有机膦酸修饰的金属氧化物及有机膦酸盐的介孔-大孔分级孔材料在重金属离子吸附性能和对有机染料降解的光催化活性比目前报道的介孔及多级孔材料具有更优越的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于重金属离子吸附的有机无机杂合多孔材料及其制备方法，可以克服现有技术的缺点，本发明合成设备简单，操作方便，条件宽松，少污染，节省能源，原料简单易得，成本低廉。并且吸附金属离子性能高效、高稳定。
为了上述目的，本发明采用钛酸丁酯、仲丁醇铝、异丙醇锆等作为金属源与有机膦酸及有机膦酸盐ATMP，EDTMPS，DTPMPA，HEDP，BHMTPMPA共水解的方法合成有机/无机杂合多孔材料。
本发明提供的是一种含不同有机基团的膦酸根有机/无机杂合介孔-大孔多级孔材料的制备方法，具体步骤如下：
1.将模板剂、有机膦酸(盐)、盐酸、水和乙醇溶解形成澄清溶液A，选用的模板剂是聚醚类共聚物如C16EO10，嵌段共聚物EO30PO34，P123，及多羟基化合物β-环糊精。
2.缓慢搅拌下，将钛酸丁酯(Ti(BuOT))滴加到溶液A中，各组份质量比为钛源∶模板剂∶有机膦酸(盐)∶盐酸∶醇∶水＝(1.702-3.404)∶(0-0.320)∶(0.997-3.060)∶(0-0.37)∶(0-20)∶(30-50)；0℃～50℃下搅拌混合物24-48h将混合物转入反应釜中，于60℃～90℃下晶化12-120h；
3.产物经过滤，水洗后于室温-80℃干燥；
4.产物模板剂用乙醇于78℃下萃取96小时或以上；
5.上述材料均对Pd2+，Cu2+，Cd2+，Cr2+，Zn2+，Hg2+，Fe2+等重金属离子有较好的吸附作用；尤其是，低浓度下，仍具有很高的选择吸附性。
本发明的制备方法有如下优点：
1.可根据需要选用多种廉价、无毒金属源，不使用任何表面活性剂直接合成，有利于环境保护；
2.可以通过采用廉价易降解的模板剂，或不使用任何模板剂的条件下调变孔道尺寸和比表面，及一步合成有机膦酸盐；
3.操作简单，可在较大范围内改变有机膦含量，及有机膦酸在孔结构中的位置，改善金属离子吸附性能。
本发明有如下优点：
1.制备的材料具有高机械稳定性和水热稳定性；
2.制备的材料有机膦酸吸附中心与钛以共价键结合，不易脱落；
3.可以通过控制材料的制备方法调变制备的材料对重金属离子的吸附性能；
4.制备的材料可重复利用，再生简单易行，重复多次后，吸附性能仍得以保持。
具体实施方式
实施例1：
在室温搅拌下，将1.03g有机膦酸HEDP加入30ml乙醇和15ml水的混合溶液，搅拌至溶液澄清后，缓慢滴加Ti(BuOT)1.702g，继续慢速搅拌24h，于80℃晶化24h。产物经过滤、水洗、干燥后，即得到有机/无机杂合多孔材料。样品经XRD、N2吸附/脱附、SEM、TEM、XPS、NMR表征证实为具有大孔/介孔结构的有机膦酸钛。材料的BET比表面积为257m2/g；孔容为0.052cm3/g；大孔孔径为50-200nm；介孔孔径大小为2.44nm。其中P含量为16.54％。
实施例2：
采用实施例1的制备过程，加入3.06g有机膦酸盐EDTMPS和3.404g Ti(BuOT)，室温搅拌24h，于80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为15m2/g；孔容为0.074cm3/g；大孔孔径为50-1000nm；介孔孔径大小为2.48nm。其中P含量为5.38％。
实施例3：
采用实施例2的制备过程，加入0.37g浓HCl得到的材料的BET比表面积为86m2/g；孔容为0.074cm3/g；大孔孔径为50-2000nm；介孔孔径大小为3.22nm和8.22nm。
实施例4：
采用实施例1的制备过程，ATMP 0.997g加入30ml乙醇和15ml水的混合溶液和1.702gTi(BuOT)，快速搅拌24h，80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为132m2/g；孔容为0.011cm3/g；大孔孔径为50-1000nm介孔孔径大小为1.47nm和1.95nm。
实施例5：
采用实施例1的制备过程，BHMTPMPA 1.37g加入45ml乙醇和15ml水的混合溶液和1.702g Ti(BuOT)，慢速搅拌24h，80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为132m2/g；孔容为0.13cm3/g；大孔孔径为100-500nm；介孔孔径大小为2.06nm。
实施例6：
采用实施例1的制备过程，ATMP1.37g加入30ml乙醇和15ml水的混合溶液，加入0.32g二嵌段(EO)30(PO)34和1.702g Ti(BuOT)，慢速搅拌24h，80℃晶化24h。用100mL无水乙醇于78℃萃取96h。得到的材料的BET比表面积为288m2/g；孔容为0.19cm3/g；大孔孔径为50-1000nm；介孔孔径大小为1.48nm和5.12nm。
实施例7：
采用实施例1的制备过程，BHMTPMPA1.37g加入30ml乙醇和15ml水的混合溶液，加入0.32g二嵌段(EO)30(PO)34和1.702g Ti(BuOT)，慢速搅拌24h，80℃晶化24h。用100mL无水乙醇于78℃萃取96h。得到的材料的BET比表面积为62m2/g；孔容为0.15cm3/g；大孔孔径为200-1000nm；介孔孔径大小为20.91nm。
实施例8：
采用实施例1的制备过程，ATMP 0.997g加入30ml乙醇和15ml水的混合溶液，加入0.32g二嵌段(EO)30(PO)34和1.702g Ti(BuOT)，快速搅拌24h，80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为316m2/g；孔容为0.2312cm3/g；大孔孔径为100-1000nm；介孔孔径大小为1.74nm。
实施例9：
采用实施例1的制备过程，BHMTPMPA 1.37g加入45ml乙醇和15ml水的混合溶液，加入0.1135g β-CD和1.702g Ti(BuOT)，慢速搅拌24h，80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为65m2/g；孔容为0.098cm3/g；大孔孔径为200-2500nm；介孔孔径大小为2.45nm。
实施例10：
采用实施例1的制备过程，ATMP 1.495g加入50ml水的混合溶液，1.23g仲丁醇铝，慢速搅拌24h，80℃晶化24h。得到的材料的BET比表面积为93m2/g；孔容为0.238cm3/g；大孔孔径为100-2000nm；介孔孔径大小为2.68nm。
实施例11：
将实施例1、2、4、8制备的有机/无机杂合多孔有机膦酸钛0.0100g分别放入50mL含10，20，30ppm Pd2+，Cu2+，Cd2+的水溶液；搅拌；离心；分光光度法测溶液中离子浓度。结果见表1
表1.
去除率％   Cu2+(mg/L)   Pd2+(mg/L)   Cd2+(mg/L)
  10   20   30   10   20   30   10   20   30
  样品1样品2样品4样品8   57.5585.8555.6663.21   36.2585.3834.5043.85   27.6283.3325.7130.00   59.0990.9154.5572.73   56.2587.5053.1368.75   51.9284.6253.9267.31   26.6777.9222.0871.25   25.0075.4620.8368.51   23.4572.1320.0666.22
实施例12：
将实施例2制备的有机/无机杂合多孔有机膦酸钛0.0100g分别放入50mL含30ppm Cu2+(Pd2+，Cd2+)的水溶液；搅拌；离心；分光光度法测溶液中离子浓度，用盐酸洗去吸附离子后，再测，反复吸附实验9次。结果见附表2
表2.
  吸附次数   1   2   3   4   5   6   7   8   9
  吸附率(％)   80.45   77.72   77.27   76.82   70.91   65.45   63.18   57.72   55.91
实施例13
将实施例2制备的有机/无机杂合多孔有机膦酸钛0.0100g放入50mL含30ppm Pd2+，(Cu2+，Cd2+)的水溶液；搅拌；离心。ICP法测溶液及固体中的离子浓度。结果见表3
表3.
样品   重金属离子选择吸附性能(ppm)
  Cu2+   Pd2+   Cd2+
  样品2   6.44   9.3   8.12

Claims (7)

1.一种有机瞵酸过渡金属盐多孔材料，其特征在于它具有介孔-大孔分级孔结构，在表面和骨架中结合了不同有机基团的膦酸盐，其中有机膦酸P重量百分含量为1wt％-17wt％；所述的过渡金属盐是钛、铝、锆等瞵酸盐，对重金属离子吸附显示高吸附性。
2.一种制备权利要求1所述的具有介孔-大孔多级孔结构的有机膦酸金属盐的制备方法，其特征在于它包括下述步骤：
a)将有机膦酸或有机膦酸盐与水/乙醇混合溶剂及模板剂形成澄清溶液A；
b)搅拌下将金属源缓慢滴加入溶液A，于0-50℃下搅拌混合物24-48小时，将所得混合物转入反应釜中，于60-90℃晶化12-120h；
c)产物经过滤、水洗后于室温-80℃干燥；
d)产物的模板剂用乙醇于78℃萃取96小时或以上，得到目标产物大孔-介孔多级孔结构的有机膦酸过渡金属盐，其中加入量为1克产物加入100mL乙醇。
3.按照权利要求2所述的具有介孔-大孔多级孔结构的有机膦酸金属盐的制备方法，其特征在于所述的有机膦酸及有机膦酸盐为ATMP，EDTMPS，DTPMPA，HEDP和BHMTPMPA；模板剂为聚醚类共聚物如C16EO10，嵌段共聚物EO30PO34，P123，及多羟基化合物β-环糊精；金属源为钛酸丁酯、正丁醇铝、异丙醇锆等。
4.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，步骤a中反应物为有机膦酸盐EDTMPS和DTPMPA时，需加有质量比为0-4.13的盐酸。
5.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，若步骤a中不加入任何模板剂，或加入模板剂为β-环糊精，此时，无须d步骤。
6.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，步骤b中加入的金属源为钛酸丁酯时，主分质量比为钛源∶有机膦酸＝0.772∶1-0.515∶1；其它金属源使用时的情况相似。
7.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，步骤c所得产物，还可于0-400℃于马弗炉中焙烧0-6h。
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