CN102527332A

CN102527332A - 一种复合磁性吸附材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN102527332A
Application number: CN2010106239554A
Authority: CN
Inventors: 李来风; 赵正权; 张�浩; 陈振; 王秀文; 梁羽
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供一种复合磁性吸附材料及其制备方法和应用。通过机械研磨，使纳米Fe₃O₄混杂嵌入颗粒状活性炭内部、表面等。实验表明，该磁性吸附材料吸附污染物性能稍弱于活性炭，但该磁性吸附材料可用于超导磁分离处理污水，从而达到快速、有效、可持续利用、节能降耗的目的。

Description

一种复合磁性吸附材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于环保领域。准确地说，本发明属于一种复合磁性吸附材料及其制备方法，以及所述复合磁性吸附材料在处理废水中的应用。

背景技术

废水处理方法中吸附法是利用吸附剂对废水中污染物的吸附作用去除污染物。吸附剂是多孔性物质，具有很大的比表面积，活性炭是目前最有效的吸附剂之一，能有效地去除废水的色度和COD。活性炭处理染料废水在国内外都有研究，但活性炭对废水中污染物进行吸附后，会有分离不彻底等问题，尤其粉末状活性炭再生效果劣于颗粒状活性炭。将活性炭从污水中分离出的方法为物理分离、过滤等。粉末状活性炭吸附速度快，因而制备具有磁性的粉状活性炭不但有可能解决其收集及再生效率低的问题，更迎合了磁分离技术的占地面积小、效率高、投资少的优点。

一些污水中污染物分离处理技术示例如下：

1、“超导磁分离污水处理系统中纳米磁种子材料的制备和表征”，张浩等。低温工程，第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集。文中使用等离子聚合的方法将丙烯酸镀在四氧化三铁表面，用于造纸、有机污水的处理。

2、“高效溶气气浮和磁分离处理高含量聚合物油田污水”，许浩伟等。水处理技术，2009，09。采用先回收油，再去除污染物方法。

3、高浊度原水磁絮凝的分离实验，史少欣等。南昌航空学院环境与化学工程系，水处理技术，2002，6。将Fe₃O₄表面经过硅烷化处理，处理高浊度污水，过程中添加聚丙烯酰胺配合。

本发明制备的复合磁性吸附材料与文献1中所制备的纳米磁种子相比具有成本低、可靠性高的优势。文献1中所采用的等离子镀膜的方法改性粉末应用于化工污水处理。其单次产量少，仅零点几克，较难实现放大生产，而球磨制备粉末的方法是工业生产中常见的方法。文献2中所用到的磁粉为纯粹四氧化三铁，文献3将四氧化三铁硅烷化改性，这二种磁性粉末本身并无吸附性能。本发明的复合磁性吸附材料则避免了上述缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合磁性吸附材料及其制备方法。该复合磁性吸附材料一方面能通过活性炭颗粒表面特有的吸附作用，将污水中的小分子污染物、杂质吸附在其表面；另一方面利用表面和内部的纳米Fe₃O₄的磁吸附性，通过磁分离，将吸附着污染物的磁性吸附材料带出，是一种具有净化水质作用的材料。

四氧化三铁是一种黑色固体，不溶于水，溶于酸，有磁性。高温下铁与水蒸气反应可以得到四氧化三铁，而纳米级的Fe₃O₄的制备主要通过化学共沉淀的方法。按摩尔比2∶1将三价铁盐和二价铁盐溶于蒸馏水，然后滴加碱溶液可以制得纳米Fe₃O₄材料。根据具体实施流程不同，可以制备不同尺寸大小的纳米Fe₃O₄材料。

本发明所述的复合磁性吸附材料是由粉状活性炭颗粒及其表面或内部混杂嵌入的磁性材料构成。所述磁性材料为纳米Fe₃O₄，所述磁性材料纳米Fe₃O₄的粒径在50nm以下，所述活性炭为粉状活性炭，尺寸100um～1mm，所述复合磁性吸附材料其颗粒尺寸在微米级。

所述的复合磁性吸附材料是由粉状活性炭颗粒和纳米Fe₃O₄经过机械球磨，使纳米Fe₃O₄混杂嵌入所述粉状活性炭颗粒的内部、表面制成。

所述球磨如下进行：

1)将粉末活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄放入不锈钢研磨罐中，球磨速度控制在100～300r/min；

2)球磨时间为30min～2h。

具体地说，所述复合磁性吸附材料的制备方法如下所述：

1、将总质量1～5g，质量比在4∶1至5∶3范围内的活性炭及纳米Fe₃O₄置入不锈钢研磨罐中，并把大小不等的钢珠放入研磨罐，盖上并旋上螺丝拧紧。

2、将不锈钢罐安在球磨机上，调整球磨机转速在100～300r/min，球磨时间在30min～2h。过程中，球磨机每隔10～30min倒换转动方向一次。

3、球磨结束后，关闭球磨机电源，取下球磨罐，倒出磁性粉末。

上述工艺流程中，有下述几点是必须要注意的。

上述过程中，第1步骤前，需要对活性炭进行干燥，干燥温度为40℃～60℃，进行干燥4～6h。

上述过程中，不锈钢研磨罐和罐体之间需要垫上密封圈。拧紧研磨罐时，不能一次性把一只螺丝拧得太紧，应该把两两对称的螺丝拧下一点，再拧下另外1对。最后全部拧紧。

上述过程中，在把研磨罐放入球磨机之前，需要对研磨罐进行抽真空处理。

上述过程中，通过化学共沉淀法制备纳米Fe₃O₄。

上述过程中，所用的活性炭为市场上能够买到的活性炭，尺寸在100um～1mm。

本发明的复合磁性吸附材料具有吸附功能，如下所述：

通过研磨作用，使得纳米Fe₃O₄嵌入活性炭颗粒的内部或表面，过程中活性炭颗粒变小、其孔结构变少。通过活性炭颗粒表面特有的吸附作用，将污水中的小分子污染物、杂质吸附在其表面。然后在磁场带动下，载有污染物及纳米Fe₃O₄的复合磁性材料被带出。因此，该磁性吸附材料具有净化水质的作用。

该复合磁性吸附材料用于污水处理时，速度快。活性炭颗粒较大的比表面积可以快速吸附水中污染物，在磁场作用下又可以很容易地将磁种从污水中分离出来。因此该方法较之其他水处理方法好的优点在于速度快、成本低。并且该磁性吸附材料生产过程中不产生副产物，因此它是一种绿色化学制备过程，更加适应低碳经济下的战略需求。

本发明通过机械球磨的方法在活性炭颗粒表面混杂嵌入纳米Fe₃O₄，使其具有吸附功能的同时也具有磁性。制备过程中无溶剂、无副产物，是典型的绿色合成过程，符合原子经济要求。

制备的复合磁性吸附材料相比活性炭颗粒来讲，吸附污染物能力略有下降，但其具有很好的磁性。在磁分离处理污水的循环使用流程中，具有很大的优势。

本方法制备的复合磁性吸附材料原料来源易得，其中纳米Fe₃O₄可以采用化学共沉淀法合成，也可以买商品的Fe₃O₄。本发明所用的纳米Fe₃O₄为采用化学共沉淀法合成的纳米Fe₃O₄。

附图说明

图1为纳米Fe₃O₄材料的TEM照片。

图2为球磨罐抽真空示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步解释。

纳米Fe₃O₄的制备

实施例1

首先制备纳米Fe₃O₄，其合成步骤如下：

1、配制摩尔比2∶1的FeCl₃·6H₂O和FeSO₄·7H₂O的水溶液于三口锥形瓶，配置适量氨水，且Fe∶NH₃摩尔比为3∶8。

2、铁盐溶液中通入惰性氩气，以驱走锥形瓶及溶液中的氧气。在强烈搅拌下缓缓滴入氨水，注意体系要密封隔绝氧气。至溶液pH约8时，终止反应。静置后，用磁铁分离出Fe₃O₄，用去离子水洗至中性。再转移至表面皿中，60℃下烘箱干燥6小时。然后取出保存。纳米Fe₃O₄TEM照片如附图1所示。

将活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄复合制备为复合磁性材料

实施例2

按照如下步骤将活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄复合制备为复合磁性材料。

1、将准备与纳米Fe₃O₄进行复合制备的活性炭颗粒进行干燥，干燥温度为40℃。

2、将活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄以4∶1的质量比进行混合，所述活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄的总质量为5g。

3、将混合后的活性炭颗粒及纳米Fe₃O₄置入不锈钢研磨罐中。

4、将所述不锈钢研磨罐进行真空抽气处理，其步骤为如下所述。

1)将球磨罐进行真空抽气，如图2中所示，由A口通入氩气，B口连通抽气机，开始抽气时，将A口螺栓拧住，启动B口连着的抽气机，抽气约三分钟。

2)抽气结束后，接着拧紧B口，旋开A口，通入一些氩气。

3)再拧紧A口，打开B口，重新启动抽气机。

按照如上步骤反复3次，以保证不锈钢中的空气基本去除。

5、将不锈钢罐安在球磨机上，调整球磨机转速在100r/min，球磨时间在30min。过程中，球磨机每10min倒换转动方向一次。

6、球磨结束后，关闭球磨机电源，取下球磨罐，倒出磁性粉末。

实施例3

1、将准备与纳米Fe₃O₄进行复合制备的活性炭颗粒进行干燥，干燥温度为45℃。

2、将活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄以5∶3的质量比进行混合，所述活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄的总质量为5g。

4、将所述不锈钢研磨罐进行真空抽气处理，其步骤同实施例2。

5、将不锈钢罐安在球磨机上，调整球磨机转速在150r/min，球磨时间在2h。过程中，球磨机每30min倒换转动方向一次。

实施例4

1、将准备与纳米Fe₃O₄进行复合制备的活性炭颗粒进行干燥，干燥温度为60℃。

2、将活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄以5∶3的质量比进行混合，所述活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄的总质量为3g。

5、将不锈钢罐安在球磨机上，调整球磨机转速在300r/min，球磨时间在1h。过程中，球磨机每30min倒换转动方向一次。

实施例5

将准备与纳米Fe₃O₄进行复合制备的活性炭颗粒进行干燥，干燥温度为50℃。

5、将不锈钢罐安在球磨机上，调整球磨机转速在200r/min，球磨时间在1h。过程中，球磨机每20min倒换转动方向一次。

实施例6

将实施例2和3制备的复合磁性吸附材料(分别称为磁吸附材料1和磁吸附材料2)用于水质处理。其对照为，

经过磁性吸附材料处理后的污水与未处理的污水COD值对照，还有就是将磁性吸附材料去除污染物能力与活性炭去除污染物能力进行比较(活性炭质量与磁性吸附材料中活性炭含量相等)。

过程：取25ml污水(华鑫印染厂，)，加入一定量磁性吸附材料1或磁性吸附材料2，剧烈摇晃后放入超声波清洗器中振荡约15分钟，然后取出离心。按照国家标准，用重铬酸钾法测试水质COD。结果如下表1所示。

表1按照国家标准，用重铬酸钾法测试水质COD

从表1中可以计算出，磁吸附材料1能够明显地降低印染厂污水中的污染物含量，最高可去除57％，并且可知随着加入的复合磁性材料的质量的增加，对废水中污染物的去除能力越强。

Claims

1.一种复合磁性吸附材料，由粉状活性炭颗粒及其表面或内部混杂嵌入的纳米Fe₃O₄构成；所述复合磁性吸附材料其颗粒尺寸为微米级。

2.按照权利要求1所述的复合磁性吸附材料，其特征在于，所述复合磁性吸附材料由粉状活性炭颗粒和纳米Fe₃O₄经过机械研磨，使纳米Fe₃O₄混杂嵌入所述粉状活性炭的内部、表面制成。

3.按照权利要求1所述的复合磁性吸附材料，其特征在于，所述复合磁性吸附材料中，活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄的质量比为4∶1～5∶3。

4.按照权利要求1所述的复合磁性吸附材料，其特征在于，所述复合磁性吸附材料尺寸在100um～1mm。

5.一种制备权利要求1-4任一项所述的复合磁性吸附材料的制备方法，其特征在于，将粉状活性炭颗粒和纳米Fe₃O₄经过机械研磨，使纳米Fe₃O₄混杂嵌入所述粉状活性炭的内部、表面制成。

6.按照权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述机械研磨为球磨；所述球磨如下进行：

1)将粉末活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄放入不锈钢研磨罐中，球磨速度控制100～300r/min；

2)球磨时间为30min～2h。

7.按照权利要求6所述的复合磁性吸附材料制备方法，其特征在于，粉状活性炭颗粒与纳米Fe₃O₄研磨前，需对粉状活性炭颗粒进行干燥，温度控制在40～60℃，时间4～6h。

8.按照权利要求6所述的复合磁性吸附材料制备方法，其特征在于，所述不锈钢研磨罐在放入球磨机研磨前，需要对其进行抽真空处理。

9.按照权利要求6或8所述的复合磁性吸附材料制备方法，其特征在于，球磨时要控制球磨机每隔10～30min改变一次球磨的方向。

10.一种如权利要求1-4任一项所述的复合磁性吸附材料的应用，其特征在于，用于磁分离污水处理。