CN109453739A - Ni/Fe3O4@C复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ni/Fe3O4@C复合材料,包括Ni/Fe3O4和负载在Ni/Fe3O4上的生物碳。本发明还公开了该Ni/Fe3O4@C复合材料的制备方法,包括:1)将铁盐、二价镍盐和醋酸钠均匀分散在乙二醇中,置于反应釜中200~600℃反应6~48h后,分离固体,洗涤,煅烧除水,获得Ni/Fe3O4;2)将Ni/Fe3O4、葡萄糖在水中分散均匀,置于反应釜中100~400℃反应2~8h,分离产物中的磁性物质,洗涤,干燥,即得Ni/Fe3O4@C。本发明的Ni/Fe3O4@C纳米复合材料制备过程简单,无毒无污染,吸附效率高,磁性能较好,稳定性、分散性较好,有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及吸附材料,特别是Ni/Fe3O4@C复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着工业技术的发展,抗生素污染日趋严重。例如,诺氟沙星为第三代喹诺酮类抗菌药,可以阻碍消化道内致病细菌的DNA旋转酶的作用,阻碍细菌DNA复制,对细菌有抑制作用,是治疗肠炎痢疾的常用药,然而,诺氟沙星若是随着污水进入生化池中会对生化作用产生抑制作用,所以去除废水中诺氟沙星等抗生素的技术也一直是研究热点。
吸附技术在工业废水处理中被广泛使用。“吸附”通常用于描述流体相中分子有附着在固体表面上的趋势。吸附效率与吸附剂性质有关,吸附剂性质包括表面积、孔隙率和孔径。最常用的吸附剂是颗粒活性炭,但其成本高,再生困难。因此,替代颗粒活性炭的兴趣在增长,目的是寻找新的低成本吸附剂,如工业或农业过程中的副产品或废物。榛子、椰子、胡桃、杏仁壳等已被研究。这些吸附剂需要进行预活化处理(例如化学或热活化)以增加它们的表面积并以此提高其吸附效率。但是其吸附性能远低于纳米级别的纳米材料。
纳米Fe3O4在环境温度下是最稳定的混合价态氧化物,具有制备工艺简单、价格低等优点,且其在实际应用中有广泛的用途。例如其作为功能材料,在特殊催化剂原料和磁性材料等方面也显示出许多特殊功能。但是,这些应用大多数要求磁性纳米粒子具有高比表面积以及各向异性的偶极距作用从而很容易团聚,有些磁性粒子,例如Fe、Fe3O4在空气中很容易氧化,从而导致粒子发生聚集和沉淀,不能形成稳定的分散体系,使其在实际应用中受到了限制。
虽然物理或化学方法制备的磁性纳米材料能达到一定的微小尺寸,但其表面裸露,化学性质活泼,在空气极易被氧化,易发生聚集,使得磁性材料失去其特有的性质。通常为了使颗粒能够很好的分散于载液中,需要对颗粒进行表面改性使颗粒表面吸附一层聚合物,从而产生空间位阻斥力克服粒子间的引力,同时通过对粒子的表面改性可以降低其表面能,提高粒子的抗氧化能力,得到分散性好的纳米复合材料。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种制备过程较为简单,吸附效率高,磁性能较好,稳定性、分散性较好的Ni/Fe3O4@C纳米复合材料。
本发明另一目的是提供上述Ni/Fe3O4@C纳米复合材料的制备方法及在吸附抗生素中的应用。
发明内容:本发明提供一种Ni/Fe3O4@C复合材料,该复合材料包括Ni/Fe3O4和负载在Ni/Fe3O4上的生物碳;Ni/Fe3O4为Ni包覆的Fe3O4。
本发明另一方面提供一种Ni/Fe3O4@C复合材料的制备方法,包括以下步骤:
1)将铁盐、二价镍盐和醋酸钠均匀分散在乙二醇中,置于反应釜中200~600℃反应6~48h后,分离固体,洗涤,200~600℃煅烧1~4h,获得球状Ni/Fe3O4;
2)将步骤1)制得的Ni/Fe3O4、葡萄糖和水混合并超声震荡分散均匀,然后置于反应釜中100~400℃反应2~8h,在外部磁场作用下分离产物中的磁性物质,洗涤,干燥,即得Ni/Fe3O4@C。
步骤1)中加入的二价镍与三价铁的物质的量比为1∶1~50;醋酸钠用于为反应体系提供弱碱性,优选地,醋酸钠的物质的量为三价铁的物质的量的6~7倍;乙二醇既作为反应物又作为溶剂,乙二醇的加入量应以能够分散各反应物为准,作为反应物,乙二醇的物质的量至少为三价铁的物质的量的1/3;铁盐、二价镍盐应分别为可溶于乙二醇的盐;优选地,铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁;二价镍盐为氯化镍、硝酸镍或硫酸镍。
步骤2)中,Ni/Fe3O4与葡萄糖的质量比为1∶1~50。
本发明另一方面提供上述Ni/Fe3O4@C复合材料在吸附抗生素中的应用。优选地,上述抗生素为诺氟沙星、环丙沙星和恩诺沙星中的一种或多种。
有益效果:本发明首先用醇盐水解法制备出磁性能较高,分散性较好的纳米Ni/Fe3O4前体,然后高温煅烧获得Ni/Fe3O4材料,最后通过在水热条件下葡萄糖的碳化将碳壳涂层施加到Ni/Fe3O4球体的表面上。本发明制得的Ni/Fe3O4@C纳米复合材料制备过程简单,无毒无污染,吸附效率高,磁性能较好,稳定性、分散性较好,有较好的应用前景。
附图说明
图1为Ni/Fe3O4@C的SEM图;
图2为Ni/Fe3O4@C的XPS图;
图3反应时间为2小时,Ni/Fe3O4@C对诺氟沙星(NOR)吸附效果图;
图4反应时间为2小时,Ni/Fe3O4@C对诺氟沙星(NOR)、环丙沙星(CIP)、恩诺沙星(ENR)的吸附效果对比图。
具体实施方式
实施例1
Ni/Fe3O4@C的制备方法如下:
(1)称取8.1gFeCl3·6H2O、0.15gNiCl2·6H2O和21.6g醋酸钠溶于300ml乙二醇中,不停搅拌30min,然后放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中,在200℃反应8h后取出,降至室温后,离心分离获得黑色固体,用乙醇和水洗涤数次并烘干获得前体,并以1℃/min的升温速度加热至350℃后在350℃高温煅烧2h获得Ni/Fe3O4球。
(2)通过在水热条件下葡萄糖的碳化将碳壳涂层施加到Ni/Fe3O4球体的表面上:将0.1g Ni/Fe3O4球、3.0g葡萄糖和60mL水分散在超声波震荡器中超声震荡15分钟,并在100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中于180℃下反应4小时,将得到的产物在外部磁场存在下分离得到磁性物质,用水循环洗涤,并在500Pa压力下在60℃下干燥4小时,即得到Ni/Fe3O4@C。
图1为Ni/Fe3O4@C的SEM图,图2为Ni/Fe3O4@C的XPS图。由图1和图2可知,Ni/Fe3O4@C中,球状Ni/Fe3O4表面负载着生物碳。而且这种方法制备的纳米颗粒具有稳定的晶格结构,根据晶格间距可以确定该材料为纳米颗粒。
实施例2
Ni/Fe3O4@C的制备方法如下:
(1)称取8.1gFeCl3·6H2O、0.28gNiCl2·6H2O和21.6g醋酸钠溶于300ml乙二醇中,不停搅拌30min,然后放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中,在200℃反应8h后取出,降至室温后,离心分离获得黑色固体,用乙醇和水洗涤数次并烘干获得前体,并以1℃/min的升温速度加热至350℃后在350℃高温煅烧2h获得Ni/Fe3O4球。
(2)通过在水热条件下葡萄糖的碳化将碳壳涂层施加到Ni/Fe3O4球体的表面上:将0.1g Ni/Fe3O4球、6.0g葡萄糖和60mL水分散在超声波震荡器中超声震荡15分钟,并在100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中于180℃下反应4小时,将得到的产物在外部磁场存在下分离得到磁性物质,循环用水洗涤,并在500Pa压力下在60℃下干燥4小时,即得到Ni/Fe3O4@C。
本实施例制得的产品形貌和吸附效果与实施例1类似。
实施例3
Ni/Fe3O4@C的制备方法如下:
(1)称取6.0g硫酸铁、7.9gNiSO4·6H2O和14.8g醋酸钠溶于50ml乙二醇中,不停搅拌30min,然后放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中,在600℃反应6h后取出,降至室温后,离心分离获得黑色固体,用乙醇和水洗涤数次并烘干获得前体,并以2℃/min的升温速度加热至600℃后在600℃高温煅烧1h获得Ni/Fe3O4球。
(2)通过在水热条件下葡萄糖的碳化将碳壳涂层施加到Ni/Fe3O4球体的表面上:将0.1g Ni/Fe3O4球、5.0g葡萄糖和60mL水分散在超声波震荡器中超声震荡15分钟,并在100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中于100℃下反应8小时,将得到的产物在外部磁场存在下分离得到磁性物质,循环用水洗涤,并在500Pa压力下在60℃下干燥4小时,即得到Ni/Fe3O4@C。
本实施例制得的产品形貌和吸附效果与实施例1类似。
实施例4
Ni/Fe3O4@C的制备方法如下:
(1)称取7.3g硝酸铁、0.55g硝酸镍和24.6g醋酸钠溶于100ml乙二醇中,不停搅拌30min,然后放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中,在300℃反应48h后取出,降至室温后,离心分离获得黑色固体,用乙醇和水洗涤数次并烘干获得前体,并以2℃/min的升温速度加热至400℃后在400℃高温煅烧4h获得Ni/Fe3O4球。
(2)通过在水热条件下葡萄糖的碳化将碳壳涂层施加到Ni/Fe3O4球体的表面上:将0.1g Ni/Fe3O4球、2.5g葡萄糖和60mL水分散在超声波震荡器中超声震荡15分钟,并在100mL内衬聚四氟乙烯的反应釜中于400℃下反应2小时,将得到的产物在外部磁场存在下分离得到磁性物质,循环用水洗涤,并在500Pa压力下在60℃下干燥4小时,即得到Ni/Fe3O4@C。
本实施例制得的产品形貌和吸附效果与实施例1类似。
实施例5
验证Ni/Fe3O4@C在水环境中的吸附效果:
(1)向反应瓶中加入诺氟沙星的浓度为15μM的待实验水20mL,加入20mg实施例1制得的Ni/Fe3O4@C,并加入H2SO4或NaOH溶液来调节反应溶液pH为7。将反应瓶放入摇床中,温度为室温25℃。反应0,10,20,40,80,120min后提取0.5mL反应溶液,把样品置于液相色谱分析仪中来测定峰值。做两组平行实验,并根据求得的数据来绘制降解曲线。
图3为反应时间为2小时后,Ni/Fe3O4@C对诺氟沙星(NOR)吸附效果图。由图3可知,本实验所制备的Ni/Fe3O4@C吸附材料对诺氟沙星具有良好的吸附效果,在使用Ni/Fe3O4@C时,投加量为1g/L,诺氟沙星在初始浓度15μM以下时能够被全部吸附。
(2)向反应瓶中加入环丙沙星(CIP)的浓度为15μM的待实验水20mL,加入20mg实施例1制得的Ni/Fe3O4@C,并加入H2SO4或NaOH溶液来调节反应溶液pH为7。将反应瓶放入摇床中,温度为室温25℃。反应0,10,20,40,80,120min后提取0.5mL反应溶液,把样品置于液相色谱分析仪中来测定峰值。做两组平行实验,并根据求得的数据来绘制降解曲线。
向反应瓶中加入恩诺沙星(ENR)的浓度为15μM的待实验水20mL,加入20mg实施例1制得的Ni/Fe3O4@C,并加入H2SO4或NaOH溶液来调节反应溶液pH为7。将反应瓶放入摇床中,温度为室温25℃。反应0,10,20,40,80,120min后提取0.5mL反应溶液,把样品置于液相色谱分析仪中来测定峰值。做两组平行实验,并根据求得的数据来绘制降解曲线。
图4反应时间为2小时后,Ni/Fe3O4@C对诺氟沙星(NOR)、环丙沙星(CIP)和恩诺沙星(ENR)的吸附效果对比图。由图4可知,本实验所制备的Ni/Fe3O4@C吸附材料不仅对诺氟沙星有较好的吸附去除效果,而且对环丙沙星(CIP)、恩诺沙星(ENR)也有吸附效果。在使用Ni/Fe3O4@C时,投加量为1g/L。三种抗生素在初始浓度15μM以下时都能被全部吸附。
Claims (10)
1.一种Ni/Fe3O4@C复合材料,其特征在于,该复合材料包括Ni/Fe3O4和负载在Ni/Fe3O4上的生物碳;所述Ni/Fe3O4为Ni包覆的Fe3O4。
2.一种制备权利要求1所述的Ni/Fe3O4@C复合材料的方法,其特征在于,该复合材料的制备方法包括以下步骤:
1)将铁盐、二价镍盐和醋酸钠均匀分散在乙二醇中,置于反应釜中200~600℃反应6~48h后,分离固体,洗涤,200~600℃煅烧1~4h,获得球状Ni/Fe3O4;
2)将步骤1)制得的Ni/Fe3O4、葡萄糖和水混合并超声震荡分散均匀,然后置于反应釜中100~400℃反应2~8h,分离产物中的磁性物质,洗涤,干燥,即得Ni/Fe3O4@C。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1)中加入的二价镍与三价铁的物质的量之比为1∶1~50。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1)中加入的醋酸钠的物质的量为三价铁的物质的量的6~7倍。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1)中加入的乙二醇的物质的量至少为三价铁的物质的量的1/3。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤1)中,所述铁盐为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁。
7.根据权利要求2所述的Ni/Fe3O4@C复合材料的方法,其特征在于,步骤1)中,所述二价镍盐为氯化镍、硝酸镍或硫酸镍。
8.根据权利要求2所述的Ni/Fe3O4@C复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述Ni包覆的Fe3O4与葡萄糖的质量比为1∶1~50。
9.权利要求1所述的Ni/Fe3O4@C复合材料在吸附抗生素中的应用。
10.根据权利要求9所述的Ni/Fe3O4@C复合材料在吸附抗生素中的应用,其特征在于,所述抗生素为诺氟沙星、环丙沙星和恩诺沙星中的一种或多种。
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