CN103263901B - 微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，该方法包括步骤：分子筛载体的预处理、微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备。本发明以MCM-41介孔分子筛为载体，通过液相还原法在分子筛载体上原位生成纳米铁颗粒，其纳米铁质量负载率为25%-90%，制得的微米级分子筛负载型纳米铁材料的粒径范围为1.2μm-20μm，孔径范围为1.5nm-4.5nm。MCM-41介孔分子筛与纳米铁耦合后制备成高活性微米级负载型纳米铁材料，有益效果是有效的改善纳米铁在空气中的稳定性，提高纳米铁在水介质中的分散性，有效抑制纳米铁颗粒的团聚效应，增加了纳米铁材料的活性位点，提高纳米铁材料的表面活性。使其在水处理工艺中更易于分离回收，回收率可达100%。
Description
技术领域
本发明涉及无机功能材料和精细化工制备技术，特别是一种微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法。
背景技术
随着纳米技术日渐成熟，大量的纳米材料被发明制备及使用。正是由于纳米材料具有物理化学方面的优异特性，如量子尺寸效应、表面效应和量子隧穿效应等特性。这些特性应用于环境保护和水体修复过程中，会显现一些传统材料所不能代替的作用，这使得纳米材料得到了更为广泛的应用。
纳米铁作为一种新兴的环境修复工程材料，其主要应用于土壤及地下水的修复。纳米铁具有普通零价铁所不具有的重要特性，如：比表面积大，化学活性高、还原性强、吸附能力强等。但由于纳米铁本身具有的高活性，使其在空气中稳定性极差，接触氧气后极易被氧化甚至自燃，并且由于其纳米尺寸，使其易团聚，水介质中分散性较差，从而限制了纳米铁材料在实际水处理工艺中的应用。研究认为，将纳米铁材料负载于尺寸较大且性质稳定的载体上，制备出分子筛负载型纳米铁，对促进纳米零价铁在环境修复中的应用具有重要的现实意义和应用价值。
MCM-41介孔分子筛是一种优良的材料载体，被广泛的用于多相催化领域和环保领域。如何将纳米铁负载到MCM-41分子筛上，制备出在空气中可以保持稳定且具有良好水介质分散性和分离性的微米级分子筛负载型纳米铁材料，亟不可待。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，以介孔MCM-41分子筛为载体，利用其介孔结构及化学性质稳定等优点，将纳米铁颗粒负载到其孔道和表面，制备出高活性、在空气中可以保持稳定、不易被氧化且具有良好水介质分散性和分离特性的微米级分子筛负载型纳米铁材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）分子筛载体的活化预处理
以MCM-41介孔分子筛为微米级分子筛负载型纳米铁材料的载体，采用热处理活化法和酸活化法对所述载体进行活化预处理；
热处理活化法：将所述载体置于马弗炉中，采用阶梯升温保温法进行热处理活化所述载体，活化步骤为：在1h-2h时间内升温到200℃-250℃，恒温1h-2h；然后在1h-2h时间内升温到350℃-400℃，恒温1h-2h；最后在1h-2h时间内升温到550℃-600℃，恒温4h-6h；
酸活化法:将热处理活化后的所述载体置于蒸馏水中，滴加盐酸至无气泡产生，再洗涤至中性，100℃-200℃温度下干燥12h；
（2）微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4或NaBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
制备原料:FeSO4·7H2O、上述已活化的所述载体、NaBH4或KBH4、蒸馏水、无水乙醇、NaOH、氮气；
在15℃-35℃温度下，将0.1g-3.0g上述已活化的所述载体与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，标记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀；
配制100ml0.4mol/L NaBH4或KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性NaBH4或KBH4溶液，标记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将配制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h取出，即得到黑色微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
本发明的效果是：
1、本发明微米级分子筛负载型纳米铁材料，在保持纳米铁高活性的基础上，进一步提高了纳米铁的活性位点和比表面积，微米级分子筛负载型纳米铁材料的比表面积可达400m2/g-900m2/g。纳米铁晶粒分散在载体表面，从而大大提高了纳米铁材料的活性。
2、本发明微米级分子筛负载型纳米铁材料，由于将纳米铁负载到分子筛上，增加了其在空气中的稳定性和抗氧化性。
3、本发明微米级分子筛负载型纳米铁材料，由于将纳米铁负载到分子筛上，提高了材料的水介质分散性和有效的缓解了纳米铁颗粒的团聚效应。
4、在微米级分子筛负载型纳米铁材料制备过程中采用超声分散，超声波的处理可以有效解决纳米铁粒子在分子筛表面堆积团聚问题，使的纳米铁晶粒更加细化均匀。
5、该微米级分子筛负载型纳米铁材料在处理废水过程中不粘付在反应器表面，采用微滤膜（0.22μm-0.45μm）可回收该微米级分子筛负载型纳米铁材料，回收率可达100%，且不会造成膜污染。
附图说明
图1为本发明微米级分子筛负载型纳米铁材料的结构模拟图；
图2为本发明微米级分子筛负载型纳米铁材料在负载前后的TEM照片。
具体实施方式
结合下列实施例对本发明的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法加以说明。
本发明的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）分子筛载体的活化预处理
以MCM-41介孔分子筛为微米级分子筛负载型纳米铁材料的载体，采用热处理活化法和酸活化法对所述载体进行活化预处理；
热处理活化法：将所述载体置于马弗炉中，采用阶梯升温保温法进行热处理活化所述载体，活化步骤为：在1h-2h时间内升温到200℃-250℃，恒温1h-2h；然后在1h-2h时间内升温到350℃-400℃，恒温1h-2h；最后在1h-2h时间内升温到550℃-600℃，恒温4h-6h；
酸活化法:将热处理活化后的所述载体置于蒸馏水中，滴加盐酸至无气泡产生，再洗涤至中性，100℃-200℃温度下干燥12h；
（2）微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4或NaBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
制备原料:FeSO4·7H2O、上述已活化的所述载体、NaBH4或KBH4、蒸馏水、无水乙醇、NaOH、氮气；
在15℃-35℃温度下，将0.1g-3.0g上述已活化的所述载体与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，标记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀；
配制100ml0.4mol/L NaBH4或KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性NaBH4或KBH4溶液，标记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将配制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h取出，即得到黑色微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+载体的质量)×100%。
如图1所示，图中说明被还原产生的纳米铁粒子Feo以MCM-41为载体，分散负载在MCM-41载体上，复合成微米级分子筛负载型纳米铁材料，有效的解决了纳米铁粒子的团聚效应。
图2中左图为活化后MCM-41的TEM照片，图2中右图为微米级分子筛负载型纳米铁材料TEM照片。TEM表征照片说明纳米铁粒子与载体复合在一起，纳米铁粒子的尺度范围为纳米级，没有团聚现象产生，微米级分子筛负载型纳米铁材料的尺度为微米级，并具有纳米级孔径。
实施例1纳米铁质量负载量为25%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为3.0g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+3.0)×100%=25%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂NaBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将3.0g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L NaBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性NaBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为25%的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
实施例2纳米铁质量负载量为35%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为2.0g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+2.0)×100%=35%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将2.0g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性KBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为35%的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
实施例3纳米铁质量负载量为50%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为1.0g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+1.0)×100%=50%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂NaBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将1.0g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L NaBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性NaBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为50%的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
实施例4纳米铁质量负载量为70%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为0.5g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+0.5)×100%=70%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将0.5g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性KBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为80%的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
实施例5纳米铁质量负载量为80%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为0.3g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+0.3)×100%=80%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将0.3g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性KBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为80%的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
实施例6纳米铁质量负载量为90%的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O能被还原产生1.1g纳米铁
添加MCM-41载体的质量为0.1g。
纳米铁的质量负载量（%）=1.1g/(1.1g+0.1)×100%=90%。
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒。
在15℃-35℃温度下，将0.1g已活化的MCM-41介孔分子筛与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀。
配制100ml0.4mol/L KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性KBH4溶液，记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将新制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h，取出，即得到黑色的纳米铁负载量为90%微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存。
Claims (3)
1.一种微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)分子筛载体的活化预处理
以MCM-41介孔分子筛为负载型纳米铁材料的载体，采用热处理活化法和酸活化法对所述载体进行活化预处理：
热处理活化法：将所述载体置于马弗炉中，采用阶梯升温保温法进行热处理活化所述载体，活化步骤为：在1h-2h时间内升温到200℃-250℃，恒温1h-2h；然后在1h-2h时间内升温到350℃-400℃，恒温1h-2h；最后在1h-2h时间内升温到550℃-600℃，恒温4h-6h；
酸活化法：将热处理活化后的所述载体置于蒸馏水中，滴加盐酸至无气泡产生，再洗涤至中性，100℃-200℃温度下干燥12h；
(2)微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备
采用液相还原法：对FeSO4的乙醇-水溶液体系，采用滴加强还原剂KBH4或NaBH4对Fe2+进行还原制得纳米铁微粒；
制备原料:有FeSO4·7H2O、上述已活化的所述载体MCM-41分子筛、NaBH4或KBH4、蒸馏水、无水乙醇、NaOH、氮气；
在15℃-35℃温度下，将0.1g-3.0g上述已活化的所述载体与100ml0.2mol/L FeSO4·7H2O水溶液置于三口烧瓶中，密封，标记为组分A；将组分A置于磁力搅拌器上，向三口烧瓶中通入氮气保护并对A组分超声分散10min，开启磁力搅拌，使组分A混合均匀；
配制100ml0.4mol/L NaBH4或KBH4溶液，并用NaOH调节pH为9-10，制成弱碱性NaBH4或KBH4溶液，标记为B组分；
向上述A组分中加入50ml的无水乙醇，搅拌均匀，然后在氮气气氛的保护下，将配制的B组分逐滴滴加至A组分中，滴加速度为60-90滴/min，待滴加完毕后，持续搅拌反应60min，静置30min，过滤，得到黑色沉淀颗粒，将黑体沉淀颗粒用蒸馏水洗涤2-5次，再超声分散30min后，用无水乙醇洗涤3-5次，将洗涤后的黑色沉淀颗粒置于真空干燥箱中烘干6h-8h取出，即得到黑色的微米级分子筛负载型纳米铁材料，在无氧条件下密封保存；微米级分子筛负载型纳米铁材料质量负载量的计算公式为：纳米铁质量负载量(％)＝1.1g/(1.1g+载体的质量)×100％。
2.根据权利要求1所述的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，其特征是：所述制得的微米级分子筛负载型纳米铁材料的粒径范围为1.2μm-20μm，孔径范围为1.5nm-4.5nm。
3.根据权利要求1所述的微米级分子筛负载型纳米铁材料的制备方法，其特征是：所述制得的微米级分子筛负载型纳米铁材料在水处理工艺中，采用0.22μm-0.45μm的微孔滤膜对其进行过滤回收，回收率达100％。
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