CN104043394A - 一种利用铁基金属-有机骨架制备磁性吸附材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用铁基金属-有机骨架制备磁性吸附材料的方法。本发明的目的是提供一种新型利用铁基金属-有机骨架快速制备磁性纳米孔碳吸附材料的方法及其优良的去除和回收废水中染料分子的应用。通过选取铁基金属-有机骨架作为铁和碳的第一前驱体以及多孔模板,选取糠醇作为碳的第二前驱体,采用微波辅助高温离子热的方法快速合成了一系列不同磁性大小的纳米孔碳吸附材料。本发明得到的磁性纳米孔碳吸附材料具有较大的比表面积及对染料很强的吸附能力,并具有优良的磁性质,可用于溶液中吸附材料的磁性回收和再利用。
Description
技术领域
本发明属于一种新型利用铁基金属-有机骨架快速制备磁性纳米碳孔吸附材料的方法及其优良的去除和回收废水中染料分子的应用。
背景技术
工业染料成为环境污染的普遍来源之一,而最简便快捷的去除水体中染料的手段是吸附。与其他吸附剂如活性炭、农业废料、粘土材料、生物分子或沸石类相比,纳米碳孔材料作为一种新型吸附剂由于它们稳定的孔结构、质轻、无污染、来源广泛以及对酸碱等环境化学稳定的特点,近年来得到更广泛关注。金属-有机骨架材料是一类由金属离子和配位基配位而成的多孔结晶材料,近来它被开发作为合成碳纳米管、其他无机材料或骨架类材料的原材料。如Jiang H.L.等人在J.Am.Chem.Soc.2011年第133卷第11854-11857页所发表的论文,以及Banerjee A.等人在J.Mater.Chem.2012年第22卷19694-19699页所发表的论文。
目前存在的纳米孔碳材料的制备方法主要侧重高温碳化,这种方法要求很高的温度、绝对缺氧环境以及相对较长的时间。又由于材料本身不具有磁性,工业应用时回收花费成本较大;或者具有磁性,但是比表面积不大导致对工业染料等的吸附能力不佳。所以,从节约时间和能源的角度考虑,选用一种简单有效的方法来制备高比表面的磁性孔碳材料具有很大的工业应用前景和价值。
发明内容
本发明提供了一种新型利用铁基金属-有机骨架快速制备磁性纳米孔碳吸附材料的方法及其优良的去除和回收废水中染料分子的应用。通过选取铁基金属-有机骨架MIL-100(Fe)作为铁和碳的第一前驱体以及多孔模板,选取糠醇作为碳的第二前驱体,采用微波辅助高温离子热的方法实现磁性颗粒γ-Fe2O3与碳的化学复合,快速合成了一系列不同磁性大小的纳米孔碳吸附材料;本发明得到的磁性纳米孔碳吸附材料具有较大的比表面积,可应用于对染料分子的吸附去除,并具有优良的磁性质,可应用于溶液中该吸附材料的磁性回收和再利用。
本发明的技术方案如下:
一种新型利用铁基金属-有机骨架快速制备磁性纳米孔碳吸附材料的方法,其特征在于:通过选取铁基金属-有机骨架MIL-100(Fe)作为铁和碳的第一前驱体以及多孔模板,选取糠醇作为碳的第二前驱体,采用微波辅助高温离子热的方法实现磁性颗粒γ-Fe2O3与碳的化学复合,磁性强度可通过微波功率的大小以及传热介质氯化锌的使用量进行控制调节。
一种新型磁性吸附材料,其特征在于:所述的磁性粒子是指Fe2O3等;所述的吸附材料是一种铁碳复合物,其吸附能力与纯碳吸附材料的吸附能力不相伯仲。
本发明所述的磁性吸附材料的合成方法,其特征在于:通过简单的微波辅助高温离子热处理方法,使无机碳材料与另一种无机磁性材料复合,成为磁性可回收的复合材料。
本发明所述的磁性吸附材料的应用,其特征在于:降解废水中的染料和有机小分子,并可以循环回收利用。
根据本发明的一个优选实施方案,磁性改性过程中所使用的氯化锌与前驱体混合物的质量比优选为12∶1,微波功率优选为600W。
根据本发明的一个优选实施方案,首先要制备前驱体混合物,将预先合成的MIL-100(Fe)浸泡在糠醇(furfuryl alcohol,简称为FA)中,于绝缘环境搅拌3h,再于室温空气中搅拌约24h,得到的FA/MIL-100(Fe)混合物被小心抽滤并用乙醇洗去表面残留的糠醇溶液,再于烘箱中60℃干燥1h,80℃3h,从而得到前驱体混合物。然后将一定配比的氯化锌与前驱体混合物在小坩埚中进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,600W条件下反应3min,即可得到黑色固状产物。含有产物的混合物要用稀盐酸和乙醇洗涤数遍,用磁性分离的方式即可将产物与废液分离。在洗涤后,将得到的产品进行直接干燥或真空条件下干燥。
本发明涉及如上所述的方法,其中所述的干燥可以是自然干燥,也可以是烘干干燥,或在真空条件下不加温或加温干燥,干燥温度原则上不高于所制备材料的分解温度。
本发明还涉及通过本发明方法获得的新型磁性纳米孔碳吸附材料的用途。由于所制备的新型磁性纳米孔碳吸附材料比原有纯孔碳材料增加了磁性质,因而具有优良的磁性回收与再循环利用的用途。此类用途的实例是降解废水中的染料分子。所述染料分子可以是甲基橙,次甲基蓝,罗丹明B等。
以下实施案例和附图仅为详细说明实施本发明的示例,并不用来限制本发明的范围。
附图说明
图1给出了实施例中制备出的前驱体MIL-100(Fe)的粉末X-射线衍射图。
图2给出了实施例中制备出的前驱体MIL-100(Fe)的N2吸脱附曲线。
图3分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料1,2,3,4,5,6和7的粉末X-射线衍射图。
图4分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料的光电子能谱图。
图5分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料用盐酸洗涤前后的粉末X-射线衍射对照图。
图6分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料1,2,3,4,5,6和7的热重曲线图。
图7分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料1,2,3,4,5,6和7的N2吸脱附曲线图及孔径分布图。
图8分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料1,2,3,4,5,6和7的磁滞回线图。
图9分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料1,2,3,4,5,6和7的扫描和(高分辨)透射电子显微镜图。
图10给出了实施例中制备出的磁性吸附材料的拉曼光谱图。
图11分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料5对染料分子次甲基蓝的吸附性能。
图12分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料5对次甲基蓝吸附的二阶动力学曲线。
图13分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料5对次甲基蓝的吸附等温线以及线性回归。
图14分别给出了实施例中制备出的磁性吸附材料对次甲基蓝的吸附及磁分离示意图:(a)振荡前,(b)振荡后,(c)磁性分离。
具体实施方式
实施例1
前驱体MIL-100(Fe)的合成参照Yoon J.W.等在Angew.Chem.Int.Ed.2012年第49卷第5949-5952页所提供的方法合成。称取六水三氯化铁1.622g以及均苯三甲酸0.84g,混合溶解在30mL的去离子水中,并小心依次加入氢氟酸0.2126mL和硝酸0.1625mL,混合均匀。将混合液转移至聚四氟乙烯高压釜中,150℃反应12h。所得到的产物经粉末X-射线衍射法和N2吸脱附曲线表征,其结构与上述文献报道的材料MIL-100(Fe)完全相同(见图1),其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线(见图2)测定为1474.13m2/g。
将预先合成的MIL-100(Fe)浸泡在糠醇中,于绝缘环境搅拌3h,再于室温空气中搅拌约24h,得到的FA/MIL-100(Fe)混合物被小心抽滤并用乙醇洗去表面残留的糠醇溶液,再于烘箱中60℃干燥1h用来除去表面的乙醇,80℃3h用于糠醇的进一步聚合,从而得到前驱体混合物。
磁性纳米孔碳吸附材料1,通过简单灵巧的微波离子热方法合成。首先称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,然后称取0.45g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,700W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法(见图3中曲线1)和光电子能谱表征(见图4),表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相。用稀盐酸清洗的步骤至关重要,否则会有许多残留的氯化锌及衍生物存在(见图5)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有58.7%的γ-Fe2O3,残存锌含量为1.1%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为598m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为19.54emu g-1。通过透射电子显微镜图(见图9(e))所计算的晶格条纹间距进一步证明了γ-Fe2O3粒子的存在,且显示γ-Fe2O3粒子已经均匀地分散在碳材料中。拉曼光谱(见图10)测试证明产物中碳以石墨相和无定形态方式共存。
实施例2
合成磁性纳米孔碳吸附材料2。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取0.75g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,700W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相(见图3中曲线2)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有52.8%的γ-Fe2O3,残存锌含量为0.8%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为705m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为9.05emu g-1。
实施例3
合成磁性纳米孔碳吸附材料3。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取1.05g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,700W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相((见图3中曲线3)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有44.7%的γ-Fe2O3,残存锌含量为0.4%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为702m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为5.52emu g-1。
实施例4
合成磁性纳米孔碳吸附材料4。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取1.8g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,700W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相(见图3中曲线4)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有51.5%的γ-Fe2O3,残存锌含量为6.2%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为707m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为6.78emu g-1。
实施例5
合成磁性纳米孔碳吸附材料5。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取1.8g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,600W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相(见图3中曲线5)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有43.4%的γ-Fe2O3,残存锌含量为4.9%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为800m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为4.12emu g-1。
实施例6
合成磁性纳米孔碳吸附材料6。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取1.8g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,460W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相(见图3中曲线6)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有52.3%的γ-Fe2O3,残存锌含量为6.3%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为664m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为8.54emu g-1。
实施例7
合成磁性纳米孔碳吸附材料7。首先根据实施例1中提到的方法合成前驱体混合物。然后称取0.15g前驱体混合物置于25mL的小坩埚中,称取1.8g氯化锌粉末加入到上述小坩埚中,进行简单的物理混合,后置于微波反应器中,280W条件下反应3min,含有产物的混合物用0.01M稀盐酸和乙醇洗涤数遍,磁性分离后干燥。所制得的产物经粉末X-射线衍射法表征,表明产物为碳和γ-Fe2O3的混合相(见图3中曲线7)。反应物经热重分析和感应耦合等离子体测试证明,该产物含有52.0%的γ-Fe2O3,残存锌含量为4.1%;其BET比表面积经低温N2吸脱附等温线测定为708m2/g,室温条件下的饱和磁化强度为7.85emu g-1。
实施例8
分别称取5mg实施例5中所制备的基于铁基骨架的磁性吸附材料,置于20mL不同浓度(10-50ppm)的次甲基蓝水溶液中,30℃条件下震荡,用紫外分光光度计测定其吸光度随反应时间的变化关系,从而推断出反应溶液中磁性吸附材料对次甲基蓝的吸附量随时间的变化关系(见图11)。实验结果符合二级反应动力学方程t为吸附时间,qt为t时刻对次甲基蓝的吸附量,qe为吸附平衡时对次甲基蓝的吸附量,k2为反应速率常数,通过计算得出次甲基蓝初始浓度10-50ppm时对应的平衡吸附量分别为40.06.79.74,119.9,155.3,193.4mg g-1(见图12)。用Langmuir吸附模型:对平衡吸附数据进行处理(见图13),其中Ce为次甲基蓝的平衡浓度,Q0为对次甲基蓝的最大吸附量,b为Langmuir常数,通过计算得到磁性吸附材料对次甲基蓝的最大吸附量为303.95mg g-1。
实施例9
称取一定量实施例1-7中所制备的基于铁基骨架的磁性吸附材料,并装入小玻璃瓶中,然后向小玻璃瓶中倒入一定量的次甲基蓝溶液,在瓶侧部放置一小磁铁,可以看到磁性吸附材料很快被吸附于小玻璃瓶右侧(如图14),展示了极好的磁分离可回收的性能。
Claims (4)
1.一种利用铁基金属-有机骨架快速制备磁性纳米孔碳吸附材料的方法,其特征在于:通过选取铁基金属-有机骨架MIL-100(Fe)作为铁和碳的第一前驱体以及多孔模板,选取糠醇作为碳的第二前驱体,采用微波辅助高温离子热的方法实现磁性颗粒γ-Fe2O3与碳的化学复合,磁性强度可通过微波功率的大小以及传热介质氯化锌的使用量进行控制调节。
2.根据权利要求1所述的磁性吸附材料,其特征在于:所述的磁性粒子是指Fe2O3;所述的吸附材料是一种铁碳复合物,其吸附能力与纯碳吸附材料的吸附能力不相伯仲。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的磁性吸附材料的合成方法,其特征在于:通过简单的微波辅助高温离子热处理方法,使无机碳材料与另一种无机磁性材料复合,成为磁性可回收的复合材料。
4.权利要求1和权利要求2所述的磁性吸附材料的应用,其特征在于:吸附废水中的染料和有机小分子,并可以利用其磁性质循环回收利用。
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