CN104826599A - 磁性复合有机膨润土的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁性复合有机膨润土的制备方法，属于水处理用膨润土改性制备技术领域。本发明的方法是将FeCl₃?6H₂O、NaAc?3H₂O、乙二醇、乙二胺混合后悬封装于聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃条件下反应8-10h，取黑色固体加入蒸馏水形成悬浊液；边搅拌悬浊液边逐滴加入表面活性剂水溶液，滴加完后继续搅拌24h以上，即得到磁性复合有机膨润土。本发明通过水热合成技术直接对膨润土进行加磁改性，反应完成并洗去杂质后直接滴加表面活性剂水溶液，省去了对其烘干、研磨的过程；加磁改性过程中不需要使用水，仅需少量有机溶剂，可以达到降低能耗，减少磁性膨润土的损耗的目标。

Description

磁性复合有机膨润土的制备方法

技术领域

本发明涉及磁性复合有机膨润土的制备方法，属于水处理用膨润土改性制备技术领域。

背景技术

膨润土属于层状铝硅酸盐粘土矿物，层间可膨胀、阳离子交换容量大，其主要成分是蒙脱石。膨润土是目前废水处理中应用较为广泛的一种优良经济的吸附剂，通常被用来处理含磷、有机污染物、重金属和染料的废水。

天然膨润土的表面通常存在着一层薄的亲水性水膜，这限制了膨润土有效地吸附废水中的污染物，而根据其特殊性质，改性可以有效的增强其吸附性能。通过柱撑、活化、有机插层、聚合物插层和无机-有机复合等方式对其进行改性，从而使其表面性质和层间结构得到改变。

改性膨润土的常用改性方法之一是对其进行有机改性，是利用有机分子或表面活性剂通过离子交换作用，有机相与膨润土层间钠离子或钙离子发生反应，使得膨润土从亲水疏油性变成亲油疏水性，这使得膨润土吸附水中非极性或弱极性类有机污染物的能力增强。

虽然有机改性膨润土的吸附效果良好，但由于膨润土的悬浮性，悬浮于废水中的膨润土难以达到快速分离、回收的要求。近年来，磁性载体技术在环境领域中的应用受到广泛关注，在分离和回收过程中有独特的优势。

对天然膨润土进行有机改性，可以极大地提高其吸附性能，如能负载磁性物质，可采用磁分离技术快速回收利用，因此，磁性有机膨润土能结合有机和磁性两种膨润土改性方法的优点，既具有良好的吸附性能，又能快速回收、循环使用，具有广泛的应用前景。国内科研工作者对磁性膨润土和有机膨润土有较多研究，但对磁性有机膨润土却较少有研究。如，专利CN 1300006C，水处理材料磁性复合有机膨润土的制备方法，采用共沉淀法，先将膨润土原土和FeCl₃、FeSO₄混合，加水得到悬浊液，加热水浴搅拌，滴加NaOH得到磁性膨润土；洗涤、烘干、研磨后再加入阳离子表面活性剂十二-十八烷基季铵盐，搅拌，老化对其进行有机改性，同样再进行洗涤、烘干、研磨，得到磁性复合有机膨润土。由于共沉淀法制备高品质的Fe₃O₄本身的局限性，使制备的磁性膨润土磁性较低；同时，制备过程步骤较为复杂，且在洗涤、干燥过程中消耗较多的水和电，能耗较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性复合有机膨润土的能耗低、损耗低的制备方法；且该方法所制备的磁性复合有机膨润土具有较强的吸附性能。

技术方案

本发明的方法是先通过水热法一步直接合成磁性膨润土，然后直接对其进行有机改性，从而制备成磁性复合有机膨润土材料。

一种磁性复合有机膨润土的制备方法，包括如下步骤：

（1）将FeCl₃∙6H₂O、NaAc∙3H₂O溶于乙二醇，然后加入乙二胺形成透明溶液，再加入膨润土粉末，得黄褐色悬浊液；

（2）将悬浊液封装于聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃条件下反应8-10h，取黑色固体；

（3）将黑色固体用蒸馏水洗涤，然后再加入蒸馏水形成悬浊液；边搅拌悬浊液边逐滴加入表面活性剂水溶液，滴加完后继续搅拌24h以上，取黑色固体；

（4）将步骤（3）得到的固体用蒸馏水洗涤，磁分离，即得到磁性复合有机膨润土；

（5）步骤（2）中表面活性剂为十六烷基季铵盐或溴化十六烷基吡啶。

本发明的制备方法以氯化铁作为铁源,采用乙二醇作为溶剂并对三价铁离子进行部分溶剂热还原，成功合成四氧化三铁纳米颗粒；采用醋酸钠作为反映助剂、乙二胺为包裹剂，通过控制乙二胺与三氯化铁的比例，合成纳米粒子大小均一的四氧化三铁。四氧化三铁纳米颗粒再与膨润土与结合形成磁性膨润土复合材料。

在合成四氧化三铁纳米颗粒的反应中通过两步主要反应,可能的反应如下:

2Fe³⁺+OHCH₂CH₂OH+2H⁺ →2Fe²⁺+CH₃CHO+2H₂O

2Fe³⁺+Fe²⁺+8OH^- →Fe₃O₄+4H₂O。

另外，乙二胺要在前三种试剂添加之后再添加；否则，氯化铁和醋酸钠就无法溶解。

其中，FeCl₃∙6H₂O、乙二醇、NaAc∙3H₂O、乙二胺和膨润土粉末参与磁性复合有机膨润土的合成过程，其用量的变化并不影响产物的生成，但是会影响所制备的磁性复合有机膨润土的性能。为了减少原料浪费同时获得较高磁性的磁性复合有机膨润土，FeCl₃∙6H₂O、乙二醇、NaAc∙3H₂O、乙二胺和膨润土粉末的用量比例优选为：2.0g：40mL：6.0g：20mL：0.8g。

溶液中的表面活性剂分子参与磁性复合有机膨润土的合成过程，其用量的变化并不影响产物的生成，但会影响磁性复合有机膨润土对有机污染物的去除性能，优选的，膨润土粉末与十六烷基季铵盐或溴化十六烷基吡啶的比例分别为0.8g：0.79 mmol，0.8g：0.76 mmol。

为了缩短搅拌时间，上述制备方法，优选的，将FeCl₃∙6H₂O溶解在乙二醇中，然后加入NaAc∙3H₂O。

上述制备方法，优选的，将步骤（3）得到的固体用蒸馏水洗涤，然后磁分离、烘干、研磨、过筛，即得到磁性复合有机膨润土。

有益效果

（1）本发明通过水热合成技术直接对膨润土进行加磁改性，反应完成并洗去杂质后直接滴加表面活性剂水溶液，省去了对其烘干、研磨的过程，加磁改性过程中不需要使用水，仅需少量有机溶剂，可以达到降低能耗，减少磁性膨润土的损耗的目标；而且方法简单易控，制备成本低，易于工业化推广；制备过程中添加乙二胺，能显著提高产品的吸附性能和超顺磁性；

（2）本发明的方法所制备的磁性复合有机膨润土不仅具备膨润土的特征衍射峰，层间距比膨润土原图增大，而且具有四氧化三铁的特征衍射峰。磁性复合有机膨润土中表面活性剂的存在对水中的有机污染物，如刚果红染料和对硝基苯酚等的吸附效果大大提高，并且磁性物质的负载使其在吸附完成后可实现固液的快速分离，吸附剂得以回收，具有较强的实用价值。

附图说明

图1是本发明的磁性复合有机膨润土与钠基膨润土，Fe₃O₄对比的X射线衍射光谱图；其中，a-f依次为：Fe₃O₄，钠基膨润土，CPB-膨润土、MOB2、CTMAB-膨润土、MOB1的X射线衍射光谱图；

图2为，磁性膨润土、实施例1-2制备的磁性复合有机膨润土的磁滞回归曲线。

具体实施方式

实施例1

（1）将2.0 g FeCl₃∙6H₂O溶解在40mL乙二醇中，加入6.0 g NaAc∙3H₂O，形成透明溶液，然后加入20 mL乙二胺，再加入0.8 g的膨润土粉末，磁力搅拌30分钟，得到膨润土充分分散的黄褐色悬浊液；将悬浊液封装在聚四氟乙烯反应釜中，在200 ℃下反应8 h，反应完成后冷却到室温，取黑色固体；

（2）将得到的黑色固体用蒸馏水洗涤数次（洗涤掉杂质）后，加蒸馏水形成悬浊液；边搅拌悬浊液边同时将十六烷基三甲基溴化铵水溶液（十六烷基三甲基溴化铵的含量为0.79 mmol）逐滴加入，滴加完后继续搅拌24 h，取黑色固体；

（3）将步骤（2）得到的固体用蒸馏水洗涤数次（洗涤掉杂质），然后依次进行磁分离（具体操作为：使用永磁铁，将磁性物质（磁性有机膨润土）从洗涤后的固液混合物中分离出来）、烘干、研磨、过筛，得到磁性复合有机膨润土MOB1。

室温下，用0.03g MOB1吸附25mL 300mg/L的刚果红染料溶液30 min，去除率达到99%以上；用0.15g MOB1吸附25mL 100mg/L的对硝基苯酚60 min，去除率达到96%以上；用0.04g MOB1吸附25mL 100mg/L的2,4-二硝基苯酚40 min，去除率达到92%以上。

实施例2

（1）将2.0 g FeCl₃∙6H₂O和6.0 g NaAc∙3H₂O溶解在40 mL乙二醇中，形成透明溶液，然后加入20 mL乙二胺，再加入0.8 g的膨润土粉末，搅拌30分钟，得膨润土充分分散的黄褐色悬浊液；将悬浊液封装在聚四氟乙烯反应釜中，在180 ℃下反应12h，反应完成后冷却到室温，取黑色固体；

（2）将得到的黑色固体用蒸馏水洗涤数次后，加蒸馏水形成悬浊液，边搅拌悬浊液边向悬浊液中逐滴滴加溴化十六烷基吡啶水溶液（其中，溴化十六烷基吡啶的含量为0.76 mmol），滴加完后继续搅拌30 h，取黑色固体；

（3）将步骤（2）得到的固体用蒸馏水洗涤数次，然后依次进行磁分离、烘干、研磨、过筛，得到磁性复合有机膨润土MOB2。

室温下，用0.015g MOB2吸附25mL 300mg/L的刚果红染料溶液150 min，去除率达到89%以上。

实施例3

（1）将6.0 g NaAc∙3H₂O溶解在40 mL乙二醇，再加入2.0 g FeCl₃∙6H₂O形成透明溶液，然后加入20 mL乙二胺和0.8 g膨润土粉末混合后，磁力搅拌30分钟，得膨润土充分分散的黄褐色悬浊液；将悬浊液封装在聚四氟乙烯反应釜中，在180 ℃条件下反应16 h，然后冷却到室温，取黑色固体；

（2）将黑色固体用蒸馏水洗涤掉杂质，然后加蒸馏水形成悬浊液，边搅拌悬浊液边向悬浊液中逐滴滴加溴化十六烷基吡啶水溶液（其中，溴化十六烷基吡啶的含量为0.76 mmol），滴加完后继续搅拌24h，得到黑色固体；

（3）将步骤（2）得到的固体用蒸馏水洗涤数次，然后依次进行磁分离、烘干、研磨、过筛，得到磁性复合有机膨润土MOB3。

室温下，用0.015g MOB3吸附25mL 300mg/L的刚果红染料溶液150 min，去除率达到89%以上。

实施例4

（1）将2.0 g FeCl₃∙6H₂O溶解在40mL乙二醇中，加入6.0 g NaAc∙3H₂O，形成透明溶液，然后加入0.8 g的膨润土粉末，磁力搅拌30分钟，得到膨润土充分分散的黄褐色悬浊液；将悬浊液封装在聚四氟乙烯反应釜中，在200 ℃下反应8 h，反应完成后冷却到室温，取黑色固体；

（2）将得到的黑色固体用蒸馏水洗涤数次后，加蒸馏水形成悬浊液；边搅拌悬浊液边同时将十六烷基三甲基溴化铵水溶液（十六烷基三甲基溴化铵的含量为0.79 mmol）逐滴加入，滴加完后继续搅拌24 h，取黑色固体；

（3）将步骤（2）得到的固体用蒸馏水洗涤数次，然后依次进行磁分离、烘干、研磨、过筛，得到磁性复合有机膨润土MOB4。

室温下，用0.03g MOB4吸附25mL 300mg/L的刚果红染料溶液30 min，去除率达到54%以上；用0.15g MOB4吸附25mL 100mg/L的对硝基苯酚60 min，去除率达到63%。

实施例5

（1）将2.0 g FeCl₃∙6H₂O和6.0 g NaAc∙3H₂O溶解在40 mL乙二醇中，形成透明溶液，然后加入0.8 g的膨润土粉末，搅拌30分钟，得膨润土充分分散的黄褐色悬浊液；将悬浊液封装在聚四氟乙烯反应釜中，在180 ℃下反应12h，反应完成后冷却到室温，取黑色固体；

（2）将得到的黑色固体用蒸馏水洗涤数次后，加蒸馏水形成悬浊液，边搅拌悬浊液边向悬浊液中逐滴滴加溴化十六烷基吡啶水溶液（其中，溴化十六烷基吡啶的含量为0.76 mmol），滴加完后继续搅拌30 h，取黑色固体；

（3）将步骤（2）得到的固体用蒸馏水洗涤数次，然后依次进行磁分离、烘干、研磨、过筛，得到磁性复合有机膨润土MOB5。

室温下，用0.015gMOB5吸附25mL 300mg/L的刚果红染料溶液150 min，去除率达到47%。

比较实施例1与4、实施例2与5的实验数据可以得出，在其他条件相同的情况下，在制备过程中添加乙二胺制备的磁性复合有机膨润土MOB1、MOB2的吸附性能，明显高于，在制备过程中未添加乙二胺制备的磁性复合有机膨润土 MOB4、MOB5的吸附性能。由此可见，乙二胺在本发明的制备方法中起到了提高产品吸附性能的作用。

从图2可以得出，磁性膨润土及实施例1、2所制备的磁性复合有机膨润土的剩磁Mr (emu/g)、饱和磁化强度Ms (emu/g)和矫顽力Hc (Oe)如表1所示：

表1

	磁性膨润土	MOB1	MOB2
				饱和磁化强度Ms (emu/g)	22.68	11.64	12.69
剩磁Mr (emu/g)	0.96	0.355	0.45
				矫顽力Hc (Oe)	-23.62	-24.805	-22.665

；由图2和表1数据中可以看出，不添加表面活性剂的磁性膨润土的饱和磁化强度Ms大于添加表面活性剂的MOB1和MOB2，因此添加表面活性剂之后磁性降低了，但还能满足我们在吸附过程中磁分离的需要，并且添加不同表面活性剂，饱和磁化强度Ms相差不大，也就是说添加不同的表面活性剂，对磁性无影响。

Claims (4)

1.一种磁性复合有机膨润土的制备方法，包括如下步骤：

（1）将FeCl₃∙6H₂O、NaAc∙3H₂O溶于乙二醇，然后加入乙二胺形成透明溶液，再加入膨润土粉末，得黄褐色悬浊液；

（2）将悬浊液封装于聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃条件下反应8-10h，取黑色固体；

（3）将黑色固体用蒸馏水洗涤，然后再加入蒸馏水形成悬浊液；边搅拌悬浊液边逐滴加入表面活性剂水溶液，滴加完后继续搅拌24h以上，取黑色固体；

（4）将步骤（3）得到的固体用蒸馏水洗涤，磁分离，即得到磁性复合有机膨润土；

（5）步骤（2）中表面活性剂为十六烷基季铵盐或溴化十六烷基吡啶。

2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于，FeCl₃∙6H₂O、乙二醇、NaAc∙3H₂O、乙二胺和膨润土粉末的用量比例为：2.0g：40mL：6.0g：20mL：0.8g。

3.根据权利要求2的制备方法，其特征在于，膨润土粉末与十六烷基季铵盐或溴化十六烷基吡啶的比例分别为0.8g：0.79 mmol，0.8g：0.76 mmol。

4.根据权利要求1、2或3的制备方法，其特征在于，将FeCl₃∙6H₂O溶解在乙二醇中，然后加入NaAc∙3H₂O。