CN104941576B - 三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料及制备方法和用途 - Google Patents

三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料及制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料，其制备方法是将细菌纤维凝胶清洗、除杂、干燥得到细菌纤维素膜，然后再经过500℃以上碳化2‑8小时得到粗品，再洗涤、干燥制成具有三维网状结构的纳米碳纤维，以纳米碳纤维为载体，以FeCl3·3H2O为前驱体，通过FeCl3·3H2O溶液的水解，在30℃以上的油浴中加热2‑10小时，经抽滤干燥的方法制备三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。本发明能高效吸附废水中的重金属和有机污染物，在较宽的pH值范围(pH4.0‑10.0)内对有机物的去除效果较好，环境的酸碱度对其吸附效率影响不大，易与废水分离，可多次循环使用，且具有成本低廉，制备工艺简单等优点，所得的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料在吸附重金属和难降解的有机物等领域具有广阔的应用前景。

Description

三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料及制备方法和 用途
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种具有三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料；本发明还涉及上述材料的制备方法；本发明的另一方面是：这种三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料将在吸附重金属和难降解的有机物等领域具有广阔的应用前景。
技术背景
羟基氧化铁具有稳定的化学性质和较高的比表面积，可以作为光催化剂和吸附剂在污水处理中使用。羟基氧化铁作为吸附剂可以快速、高效的吸附污水中有毒的或难降解的有机废水，例如纺织业、印染业、垃圾渗滤液以及城市产生的废水，而且也可以快速、高效的吸附工业产生的重金属废水，例如砷、铬、铅等重金属离子，将吸附后的溶液进行浓缩处理，为其后期的降解或回收处理提供良好的基础。
羟基氧化铁一般通过FeCl3·3H2O水解或者FeCl3·3H2O水解和FeCl2·4H2O氧化相结合的方式制备而得，当羟基氧化铁粒径变小，将增大比表面积，同时也会增强其吸附能力，但是在实际应用过程中，机械强度下降，铁离子易溶出，难回收。为了增强其结构，利于回收，将羟基氧化铁负载在别的载体上，如将羟基氧化铁负载在硅藻土或者石英砂上，由于硅藻土和石英砂的比表面积较小，吸附能力相对较低，PengFumin等人将羟基氧化铁负载在氧化石墨烯(GO)上，能够高效的去除水中的As。但GO是一种新型材料，价格较昂贵。为了有效制备高效的吸附材料，我们选用具有大孔的三维网状结构的细菌纤维素碳(CBC)，作为载体材料，负载羟基氧化铁，制备三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料在较宽的pH值范围(pH4.0-10.0)内对有机物的去除效果较好，环境的酸碱度对其吸附效率影响不大，易与废水分离，可多次循环使用，且具有成本低廉，制备工艺简单等优点，所得的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料在吸附重金属和难降解的有机物等领域具有广阔的应用前景。生物质材料在用作碳材料源方面有着广泛的应用，但是主要用于制备各种活性炭材料，吸附材料等，将细菌纤维素碳和羟基氧化铁复合，制备高效的吸附材料是我们的最新发明。
发明概述
本发明的一个方面，公开了一种三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
本发明的另一方面，涉及一种制备三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的方法。
本发明的又一方面，涉及三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料在吸附重金属和难降解的有机物等方面的用途。
附图说明
图1是本发明的制备工艺流程示意图。
图2是本发明制备的三维网状细菌纤维素碳材料的扫描电镜图片。
图3是本发明制备的三维网状细菌纤维素碳材料的透射电镜图片。
图4是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的扫描电镜图片。
图5是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的透射电镜图片。
图6是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的高分辨透射电镜图片。
图7是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的X射线衍射图。
图8是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料对甲基橙的吸附性能。
图9是本发明制备的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的再生对吸附甲基橙的影响
发明详述
本发明的一个方面，提供了一种三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料，其特征在于：细菌纤维素碳材料主要由直径在几纳米至几十纳米的碳纤维相互缠绕形成三维网状结构，纺锤形的纳米羟基氧化铁均匀的负载在三维网状的细菌纤维素碳上，形成具有三维网状的复合材料。比表面积为400-600m2/g。
本发明的又一方面，提供了一种制备三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的方法，该方法将细菌纤维素凝胶，通过化学方法除去凝胶中的蛋白质、脂肪等杂质，然后经过干燥得到高纯度的细菌纤维素。将干燥以后的细菌纤维素在500℃以上碳化2-8小时而得到三维网状纳米碳纤维。将碳化细菌纤维素加入到FeCl3·3H2O的水溶液中，在30℃以上的油浴中加热2-10小时，经抽滤后干燥后制备出三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
具体实施方式
下面结合实施范例对本发明的内容作进一步的说明。
实施例1取100克细菌纤维素凝胶，采用常规化学方法除去杂质，然后干燥，得到1克高纯干燥的细菌纤维素膜，在500℃碳化8小时，得到的产物经过洗涤、干燥，制成三维网状细菌纤维素碳材料。
实施例2取200克细菌纤维素凝胶，采用常规化学方法除去杂质，然后干燥，得到1.8克高纯干燥的细菌纤维素膜，在800℃碳化5小时，得到的产物经过洗涤、干燥，制成三维网状细菌纤维素碳材料。
实施例3取500克细菌纤维素凝胶，采用常规化学方法除去杂质，然后干燥，得到4.6克高纯干燥的细菌纤维素膜，在1400℃碳化2小时，得到的产物经过洗涤、干燥，制成三维网状细菌纤维素碳材料。
实施例4取1000克细菌纤维素凝胶，采用常规化学方法除去杂质，然后干燥，得到9.3克高纯干燥的细菌纤维素膜，在1600℃碳化3小时，得到的产物经过洗涤、干燥，制成三维网状细菌纤维素碳材料。
实施例5取3g的细菌纤维素碳，加入到0.01mol/L的FeCl3·3H2O的水溶液中，在30℃的加热10小时，经抽滤后在50℃下干燥，制成三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
实施例6取3g的细菌纤维素碳，加入到0.03mol/L的FeCl3·3H2O的水溶液中，
在50℃的加热8小时，经抽滤后在50℃下干燥，制成三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
实施例7取3g的细菌纤维素碳，加入到0.05mol/L的FeCl3·3H2O的水溶液中，在70℃的加热6小时，经抽滤后在50℃下干燥，制成三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
实施例8取3g的细菌纤维素碳，加入到0.07mol/L的FeCl3·3H2O的水溶液中，在90℃的加热4小时，经抽滤后在50℃下干燥，制成三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
实施例9取3g的细菌纤维素碳，加入到0.09mol/L的FeCl3·3H2O的水溶液中，在90℃的加热2小时，经抽滤后在50℃下干燥，制成三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
实施例10取0.05g的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料和细菌纤维素碳，分别加入到50mg/L的甲基橙溶液中，体系温度为30℃，并调节pH＝6.0，待体系达到吸附平衡后，取样离心后对其上层清液，采用紫外、可见-近红外分光光度计测其吸光度，根据吸附前、后的吸光度变化求其脱色率。计算公式为：
式中，D为甲基橙溶液的脱色率；A0为初始甲基橙溶液的吸光度；A为反应一定时间后取样经高速离心分离后上层清液的吸光度。
实施例11取0.05g的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料，加入到50mg/L的甲基橙溶液中，体系温度为30℃，调节到pH＝6.0，待体系达到吸附平衡后，取其上清液，测量其吸光度，代入上述公式求其脱色率。倒出剩余溶液，向所得沉淀物中加入50ml的无水乙醇进行脱附，可将脱附后的溶液进行浓缩处理。然后将沉淀物进行抽滤后，置于50℃的烘箱中干燥3h，然后再将干燥后的材料加入50mol/L的甲基橙溶液中测试其吸附特性，整个吸附和干燥过程重复3次。

Claims (4)

1.一种三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料的制备方法，细菌纤维素碳主要由直径为几纳米至几十纳米的碳纤维相互缠绕形成三维网状结构，纺锤形纳米羟基氧化铁均匀的负载在三维网状细菌纤维素碳上，形成三维网络状复合材料，具体步骤如下：将细菌纤维素凝胶进行纯化得到高纯的细菌纤维素；然后将细菌纤维素通过干燥得到细菌纤维素膜，将纤维素在500℃以上碳化2-8小时，再经过除杂，得到三维网状纳米碳纤维材料；将碳化细菌纤维素加入到FeCl3·3H2O的水溶液中，在30℃以上的油浴中加热2-10小时，经抽滤后干燥后制备出三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体制备条件如下：
细菌纤维素膜的碳化温度：500℃以上；
细菌纤维素膜的碳化时间：2-8小时；
纳米纤维复合材料的油浴温度：30℃以上；
纳米纤维复合材料的油浴时间：2-10小时。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于采用的干燥方法为常规干燥，真空干燥，冷冻干燥，超临界干燥之一种或几种方法的组合。
4.根据权利要求1所述制备方法制备得到的三维网状羟基氧化铁/细菌纤维素碳复合材料在吸附重金属和难降解的有机物领域的用途。
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