CN108311115A - 一种磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性壳聚糖负载二氧化钛复合材料的制备及其应用,是将TiO2负载到壳聚糖载体上,再结合磁流体的磁液分离性能达到良好吸附的目的,将这三种材料进行复合,能更有效地处理废水中的抗生素。本发明合成的复合材料,具有操作简便、性能稳定、合成安全性高及对环境无污染等优点,有很高的使用价值,可用于养殖、医疗等废水的处理。
Description
技术领域
本发明属于环境功能材料和水处理新技术领域,具体涉及一种磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的制备及其应用。
背景技术
近几十年来抗生素在我国的一些主要河流中陆续被检测出来,如黄河、九龙江、巢湖、珠江和洪泽湖等水体。2009年中国抗生素产量已经高达14.7万。抗生素使用量近年来不断增加,环境中抗生素的浓度也随之升高,抗生素作为一种新型污染物引起的环境危害已经获得了广泛关注。抗生素广泛用于人类医疗和动物养殖中,它可以提高饲料利用率及促进动物生长,使用后随着粪便排出体外,同样可能进入食物链,危害人类的健康,也可以通过其他途径进入环境造成污染。抗生素在全球范围内被作为饲料添加剂广泛使用,与很多抗生素一样,四环素很难被动物消化吸收,动物通过尿液或者粪便的途径排出约50%~80%的四环素。环境介质中抗生素以及产生的副产物往往会引起抗性基因在微生物中的传播,并最终危害人类的健康。
二氧化钛是一种重要的光催化材料,二氧化钛由于特殊的光电性能、化学稳定性和无毒害性等优点被广泛应用于空气净化、废水处理、除污、抗菌、光电转换等各领域,逐渐成为研究的热点。二氧化钛因为具有亲水性,且为纳米结构,在使用环境中易于失活和凝聚、不易沉降,导致其很难分离、回收和重复利用,限制了其在实际工程中的应用范围。通过适当的方法将二氧化钛固定在尺寸较大的载体上,可在反应完成后通过对载体的回收把二氧化钛进行回收。因此,为解决上述问题,增加其使用稳定性,将二氧化钛负载于一定载体上,如玻璃、硅胶、活性炭、壳聚糖等,获得负载型二氧化钛材料已得到研究者的日益关注。
壳聚糖是自然界中的第二大天然高分子材料,如今已成为一种可持续发展的材料。具有来源广泛、安全无毒、价格低廉、受pH变化影响小、易于生物降解和环境友好等显著特点,具有良好的生物相容性和生物活性,可进行生物降解,因此被广泛运用于生物、化学及医药等领域。且天然高分子壳聚糖因其分子结构上分布大量氨基和羟基,使得壳聚糖可以和过渡金属离子发生配位而形成配位键,能有效吸附和捕捉溶液中的污染物质,从而达到去除溶液中污染物质的目的,具有良好的工业应用前景和开发价值。作为天然高分子物质,壳聚糖的吸附性能又受到其自身物理形态、原料来源、脱乙酰度及体系pH值的限制,因此对其进行物理和化学改性是改善壳聚糖吸附性能和扩大应用范围的必要措施。
本发明将壳聚糖与TiO2和Fe3O4磁性纳米粒子进行复合,制得一种用于去除废水中抗生素的新型磁性复合材料。壳聚糖为主要材料,因其分子结构上分布大量氨基和羟基,能有效吸附和捕捉溶液中的污染物质。将二氧化钛负载在壳聚糖材料上制备的微球材料能结合两种材料的优势。Fe3O4磁性纳米粒子由于易实现磁液分离,可将微球与水相分离,使得复合材料能够进行有效回收。将这三种材料进行复合,能更有效地去除废水中的抗生素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的技术问题,开发一种吸附性能强和效率高的可用于处理废水中抗生素的功能化三元磁性复合材料。
本发明提出一种功能性三元磁性复合材料的制备方法,是将TiO2负载到壳聚糖载体上,再结合磁流体的磁液分离性能达到良好吸附的目的,具体操作步骤如下:
(1)按Fe2+和Fe3+的摩尔比为1:(1~4),分别取100~500mL摩尔浓度为0.1~1mol/L的FeCl3·6H2O溶液和100~500mL摩尔浓度为0.1~1mol/L的FeCl2·4H2O于烧杯中;并装置电动搅拌器,在温度为30~70℃下不断搅拌,使其混合均匀;把搅拌速度调至1000~3000rpm,加入100~500mL氢氧化钠,所述氢氧化钠的质量浓度为100~500g/L,调节pH为1~10;恒温搅拌5~20min,以保证反应完全;将水浴温度升至50~80℃,往烧杯中加入0.1~1mL吐温溶液,继续搅拌20~60min,搅拌后用体积分数为1%~10%的氯化氢溶液调节pH为1~10,水洗三次后,重新加入相应体积的水溶液,保证体积在500~1000mL左右;放入超声波分散器中分散20~60min,并用玻璃棒不断搅拌,使其分散均匀;最终得到浓度为10~50g/L的Fe3O4水悬液;
(2)将2~20g的壳聚糖加入到100~500mL的醋酸中,所述醋酸的体积分数为1%~10%,在温度为30~100℃,转速为500~1000rpm的油浴锅中搅拌均匀;向所得混合溶液中加入50~500mL步骤(1)制得的Fe3O4水悬液,所述Fe3O4水悬液的质量浓度为20~50g/L,在磁力搅拌机中搅拌20~60min;在20~100mL的乙酸溶液中加入2~10gTiO2,所述乙酸溶液的体积分数为1%~5%;在其所得的混合溶液中加入3~50mL的戊二醛溶液,所述戊二醛溶液的体积分数为3%~10%,在磁力搅拌机中搅拌至凝胶析出;凝胶析出后,用玻璃棒将凝胶捣碎;向20~100mL的氢氧化钠溶液中加入已捣碎的凝胶材料,所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为1~5mol/L,并调节pH为8~10,静置反应2~5h;将所得到的混合物用丙酮浸泡一次,然后用超纯水洗至中性;最后将所得到的材料放入烘箱,在温度为20~100℃下烘至表面干燥,取出将其磨碎然后继续烘干。
本发明还提供一种上述的功能化三元磁性复合材料应用于去除废水中抗生素的方法,所述方法包括以下步骤:取一定量的四环素废水,所述废水中四环素的质量浓度为0.01~0.1g/L,调节pH值为2~9,称取一定量的磁性壳聚糖负载TiO2复合材料添加到废水中,每50mL废水中磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的添加量为0.1~1g,在转速为100~500rpm的摇床中反应3~7小时,温度为20~100℃,后用分光光度法测定四环素的浓度,即完成对废水中的四环素的去除。
针对现有技术所存在的问题和不足,本发明旨在提供一种简单易行的磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的制备及其应用,该法具有操作简单、用时短、安全性高、对环境无污染等特点。且所用仪器设备均为普通设备;
本发明合成磁性壳聚糖负载TiO2复合材料,具有操作简便、性能稳定、合成安全性高及对环境无污染等优点,有很高的使用价值,在废水上可处理有机或无机水污染。
将本发明制成的磁性壳聚糖负载TiO2复合材料进行实验研究;
附图说明
图1是磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以助于理解本发明的具体内容。本发明中使用的方法无特殊规定,均为常规方法;所使用的原料和装置,如无特殊规定,均为常规的市售产品;
实施例1
磁性壳聚糖负载TiO2复合材料制备步骤:
(1)按Fe2+和Fe3+的摩尔比为2:3,分别取240mL摩尔浓度为0.6mol/L的FeCl3·6H2O溶液和240ml摩尔浓度为0.4mol/L的FeCl2·4H2O于烧杯中;并装置电动搅拌器,在55℃下不断搅拌,使其混合均匀;把搅拌速度调至1500rpm,加入144mL的氢氧化钠,所述氢氧化钠的质量浓度为200g/L,调节pH为9左右。恒温搅拌10min,以保证反应完全;将水浴温度升至65℃,往烧杯中加入0.8mL吐温溶液,继续搅拌30min,搅拌后用体积分数为5%的氯化氢溶液调节pH为7左右,水洗三次后,重新加入相应体积的水溶液,保证体积在800mL左右;放入超声波分散器中分散40min,并用玻璃棒不断搅拌,使其分散均匀;最终得到质量浓度约为20g/L的Fe3O4水悬液;
(2)将12g的壳聚糖加入到300ml的醋酸中,所述醋酸的体积分数为2%,在温度为50℃,转速为800rpm的油浴锅中搅拌均匀;向所得混合溶液中加入100mL步骤(1)制得的Fe3O4水悬液,所述Fe3O4水悬液的质量浓度为40g/L,在磁力搅拌机中搅拌30min;在50mL中的乙酸溶液中加入4gTiO2,所述乙酸溶液的体积分数为1%;在其所得的混合溶液中加入3mL的戊二醛溶液,所述戊二醛溶液的体积分数为5%,在磁力搅拌机中搅拌至凝胶析出;凝胶析出后,用玻璃棒将凝胶捣碎;向60mL的氢氧化钠溶液中加入已捣碎的凝胶材料,所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为1mol/L,并调节pH为8、9、10,静置反应3h;将所得到的混合溶液用丙酮浸泡一次,然后用超纯水洗至中性;最后将所得到的材料放入烘箱,在温度为30℃的烘箱中,烘至表面干燥,取出将其磨碎然后继续烘干;
图1为磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的扫描电镜图,可以看出,该复合材料表面有较多的孔隙。
实施例2
磁性壳聚糖负载TiO2复合材料对废水中四环素在不同pH下的处理,具体实验步骤如下:
取一定量的四环素废水,所述废水中四环素的质量浓度为0.01g/L,调节pH值分别为2、4、6、9,称取一定量实施例1制得的磁性壳聚糖负载TiO2复合材料添加到废水中,每50mL废水中磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的添加量为0.1g,在转速为150rpm的摇床中反应5小时,温度为30℃,后用分光光度法测定四环素的浓度,即完成对废水中的四环素在一定程度上的去除;在不同pH下对四环素的去除率如表1所示:
表1在不同pH下磁性复合材料对于四环素的去除率
pH | 2 | 4 | 6 | 9 |
去除率 | 92% | 89% | 91% | 85% |
从表1可知,磁性壳聚糖负载TiO2复合材料对于废水中抗生素的去除有很好的处理效果,其次,在pH为2时,磁性壳聚糖负载TiO2复合材料对抗生素的去除率达到了92%
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,与本发明构思无实质性差异的各种工艺方案均在本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种磁性壳聚糖负载二氧化钛复合材料的制备方法,是将TiO2负载到壳聚糖载体上,再利用磁流体的磁液分离性能达到良好吸附的目的,具体步骤如下:
(1)按Fe2+和Fe3+的摩尔比为1:(1~4),分别取100~500mL摩尔浓度为0.1~1mol/L的FeCl3·6H2O溶液和100~500mL摩尔浓度为0.1~1mol/L的FeCl2·4H2O于烧杯中;并装置电动搅拌器,在温度为30~70℃下不断搅拌,使其混合均匀;把搅拌速度调至1000~3000rpm,加入100~500mL氢氧化钠,所述氢氧化钠的质量浓度为100~500g/L,调节pH为1~10;恒温搅拌5~20min,以保证反应完全;将水浴温度升至50~80℃,往烧杯中加入0.1~1mL吐温溶液,继续搅拌20~60min,搅拌后用体积分数为1%~10%的氯化氢溶液调节pH为1~10,水洗三次后,重新加入相应体积的水溶液,保证体积在500~1000mL左右;放入超声波分散器中分散20~60min,并用玻璃棒不断搅拌,使其分散均匀;最终得到浓度为10~50g/L的Fe3O4水悬液;
(2)将2~20g的壳聚糖加入到100~500mL的醋酸中,所述醋酸的体积分数为1%~10%,在温度为30~100℃,转速为500~1000rpm的油浴锅中搅拌均匀;向所得混合溶液中加入50~500mL步骤(1)制得的Fe3O4水悬液,所述Fe3O4水悬液的质量浓度为20~50g/L,在磁力搅拌机中搅拌20~60min;在20~100mL的乙酸溶液中加入2~10gTiO2,所述乙酸溶液的体积分数为1%~5%;在其所得的混合溶液中加入3~50mL的戊二醛溶液,所述戊二醛溶液的体积分数为3%~10%,在磁力搅拌机中搅拌至凝胶析出;凝胶析出后,用玻璃棒将凝胶捣碎;向20~100mL的氢氧化钠溶液中加入已捣碎的凝胶材料,所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为1~5mol/L,并调节pH为8~10,静置反应2~5h;将所得到的混合物用丙酮浸泡一次,然后用超纯水洗至中性;最后将所得到的材料放入烘箱,在温度为20~100℃下烘至表面干燥,取出将其磨碎然后继续烘干。
2.一种权利要求1所述的磁性壳聚糖负载二氧化钛复合材料应用于去除水中抗生素的方法,所述方法包括以下步骤:取一定量的四环素废水,所述废水中四环素的质量浓度为0.01~0.1g/L,调节pH值为2~9,称取一定量的磁性壳聚糖负载TiO2复合材料添加到废水中,每50mL废水中磁性壳聚糖负载TiO2复合材料的添加量为0.1~1g,在转速为100~500rpm的摇床中反应3~7小时,温度为20~100℃,后用分光光度法测定四环素的浓度,即完成对废水中的四环素的去除。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180724 |
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