CN111359580A - 一种多孔结构的碳铁复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有多孔结构的碳铁复合材料的制备方法及其应用,该材料在广泛的pH条件下可以作为多种抗生素的吸附剂和芬顿反应催化剂。该材料以金属有机框架为原料,采用一步热解法,控制退火条件进行合成,得到的材料中铁纳米颗粒均匀负载在具有多孔结构的超薄碳纳米片表面。其中,多孔结构能够有效增强物质的传输和捕获能力,同时多孔碳纳米片上负载的铁纳米颗粒,能通过过渡金属表面的位点与抗生素分子络合,进一步提升吸附效率,使材料比普通活性炭具有更好的吸附性能。此外,铁纳米颗粒也是芬顿反应的活性位点,可以循环吸附污染物。同时材料具有磁性,可以快速方便地从水相中进行回收。因此该材料是一种绿色、高效、可循环使用的吸附剂。

Description

一种多孔结构的碳铁复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种可用于广泛的pH条件下的抗生素废水的非均相吸附剂,属于吸附技术领域。
背景技术
抗生素广泛应用于人类和动物疾病的治疗以及农业抗菌剂,全世界的使用量每年超过100000吨,其污染来源十分广泛,如医用废水、畜禽粪便农用废水、污水处理厂废水等。由于抗生素容易在环境中积累,且在淡水中检测到显著浓度,所以极易通过食物链迁移,对环境和人类健康造成威胁。
目前为止,针对去除废水中抗生素的处理技术有吸附法、生物法、膜法和高级氧化法(AOPs)等。在这些处理技术中,吸附法因其低成本、简单操作和无二次污染,是具有显著优势的处理方法,但是由于吸附速率、容量和再循环性不足,现有的吸附剂还存在缺陷,因此迫切需要更合适的吸附剂。
活性炭是常用的碳材料,由于较大的比表面积,在水处理中是去除有机物的有效吸附剂。但是活性炭对于四环素的吸附容量不足,而且从水中分离出吸附剂的传统过滤方法会导致过滤器堵塞或吸附剂损失。磁分离技术的应用可以快速有效的固液分离,避免了费时的过滤操作。碳材料的高比表面疏水性使其能够吸附许多疏水性有机化合物。但是,如果固体粉末高度分散在液相中,则分散在水中的碳材料通常难以快速地从液相中分离出来。因此,碳包封的磁性金属纳米粒子由于其磁性而具有巨大的潜力,这有助于碳和液体的快速分离。
随着抗生素的广泛使用,如何高效处理这些难降解有机污染物已然成为了当前亟需解决的问题。本发明所制备的磁性吸附材料能在2小时内完全吸附低浓度(<70mg/L)的四环素,对四环素类抗生素具有极大的吸附容量。同时,对喹诺酮类和磺胺类抗生素也有吸附效果。此外,可以通过磁分离回收吸附剂,再额外添加H2O2利用Fenton反应降解吸附的污染物使材料得到再生。这种材料符合节能环保的目标,可以预见这种材料有望成为去除抗生素的理想材料。
发明内容
本发明提供了一种具有多孔结构的碳铁复合材料的制备方法及其应用,该材料在广泛的pH条件下可以作为多种抗生素的吸附剂和芬顿反应催化剂。该材料以金属有机框架为原料,采用一步热解法,控制退火条件进行合成,得到的材料中铁纳米颗粒均匀负载在具有多孔结构的超薄碳纳米片表面。其中,多孔结构能够有效增强物质的传输和捕获能力,同时多孔碳纳米片上负载的铁纳米颗粒,能通过过渡金属表面的位点与抗生素分子络合,进一步提升吸附效率,使材料比普通活性炭具有更好的吸附性能。此外,铁纳米颗粒也是芬顿反应的活性位点,通过添加H2O2发生芬顿反应使吸附的污染物完全矿化,材料得到有效的再生,可以循环吸附污染物。同时材料具有磁性,可以快速方便地从水相中进行回收。因此该材料是一种绿色、高效、可循环使用的吸附剂。
具体的,本发明提供一种多孔结构的碳铁复合材料的制备方法,其特征在于具体制备步骤如下:
1)将一定量的FeCl3溶解在N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide,DMF)中得到溶液A;再将对苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B;在将溶液A倒入溶液B中;两者均匀混合后倒入水热釜中水热反应,将反应液离心,将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、水各洗涤若干次,干燥,得到橙色粉末,即MIL-101(Fe);
2)将所述橙色粉末在氮气气氛下管式炉中煅烧,煅烧温度为600-900℃,氮气气氛下冷却至室温,用水清洗,然后磁分离,干燥,得到所述多孔结构的碳铁复合材料。
进一步的,所述FeCl3选自FeCl3·6H2O,其与苯二甲酸的质量比为:623:383。
进一步的,1)将1.246g FeCl3·6H2O溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液A;再将0.766g对苯二甲酸溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B;在将溶液A倒入溶液B中;两者均匀混合后倒入100ml水热釜中,在120℃水热反应18h;将反应液离心,将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、水各洗涤3次,在70℃烘箱中干燥,得到橙色粉末;
2)将所述橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,升温速率为3℃/min,加热至600-900℃,保温1-6h,氮气气氛下冷却至室温;得到黑色粉末,用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥,得到所述多孔结构的碳铁复合材料。
进一步的,步骤2中,加热至700℃,保温1h。
一种多孔结构的碳铁复合材料,所述材料具有多孔结构的碳纳米片,铁以零价铁的形式均匀分散在碳纳米片上,所述材料根据所述的制备方法制备得到。
进一步的,一种所述的多孔结构的碳铁复合材料的用途,其特征在于:其用于吸附四环素类抗生素、喹诺酮类和/或磺胺类抗生素。
进一步的,其用于吸附四环素类抗生素。
一种使用所述的多孔结构的碳铁复合材料吸附后的回收方法,其特征在于,将吸附后的多孔结构的碳铁复合材料分散在去离子水中,向其中加入30wt%H2O2溶液,常温下搅拌,将悬浮液磁分离,倾析出上层,剩余的固体为再生的多孔结构的碳铁复合材料。
本发明具有如下有益效果:
1)以Fe基MOF热解简单地制备了具有多孔结构的碳铁复合材料,材料中铁纳米颗粒均匀地负载在多孔碳纳米片上;
2)负载磁性金属纳米粒子的碳材料由于其磁性而具有巨大的潜力,这有助于材料和液体的快速分离;
3)由Fe基MOF(MIL-101Fe)衍生的多孔结构的碳铁复合材料能通过过渡金属表面的位点与抗生素分子络合,进一步提升吸附效率;
4)复合材料中的铁纳米颗粒即是吸附的活性位点,也是Fenton反应的活性位点;
5)由Fe基MOF(MIL-101Fe)衍生的多孔结构的碳铁复合材料拥有先富集污染物再转移通过芬顿法降解污染物的循环污染物处理能力。
6)此发明中所涉及到的原料经济易得,所进行的实验步骤简单方便。
附图说明
图1为PCN-600、PCN-700、PCN-800和PCN-900的广角XRD谱图。
图2为PCN-600、PCN-700、PCN-800和PCN-900的Raman谱图。
图3(A)为PCN-600、PCN-700、PCN-800和PCN-900的氮气吸附和脱附等温线;图3B为BJH法计算的相应孔径分布。
图4为PCN-700的(A)透射电镜(TEM)和(B)扫描电镜(SEM)图
图5为实施例2所制备的样品的原子力显微镜(AFM)和相应高度分布图。
图6为(A)PCN-700(2h)、(B)PCN-700(3h)、(C)PCN-700(6h)的扫描电镜(SEM)图。
图7为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的不同温度下的4种碳铁复合材料吸附剂在相同条件下(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L)对四环素的吸附效果图。
图8为实施例2、实施例5、实施例6、实施例7得到的在700℃下退火1h、2h、3h、6h的4种多孔碳纳米材料吸附剂在相同条件下(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L)对四环素的吸附效果图。
图9为实施例2得到的PCN-700在不同pH条件下对四环素的吸附效果图(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L;初始四环素的pH不同)。
图10为实施例2得到的PCN-700的Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型拟合图。
图11为实施例2得到的PCN-700对不同的抗生素(四环素、土霉素、盐酸金霉素、盐酸四环素、诺氟沙星、左氧氟沙星、培氟沙星、磺胺嘧啶、甲氧苄啶)的吸附效果图。
具体实施方式
本发明下面将通过具体的实施例进行更详细的描述,但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
本发明是先采用水热法合成金属有机框架MIL-101(Fe),再通过一步热解法将MIL-101(Fe)碳化,得到负载铁纳米颗粒的多级孔结构超薄碳纳米片的磁性材料。
本发明所用的水热法合成MIL-101(Fe)如下:首先,将1.246g FeCl3·6H2O溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide,DMF)中得到溶液A。再将0.766g对苯二甲酸溶解在40mL DMF中得到溶液B。在将溶液A倒入溶液B中。两者均匀混合后倒入100ml水热釜中,在120℃水热反应18h。最后,将反应液离心,DMF、乙醇、水各洗涤3次,在70℃烘箱中干燥,得到橙色固体,即MIL-101(Fe)。
本发明所用的一步热解法如下:将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热1h至700℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥。此外,还可控制不同的温度,600℃、700℃、800℃、900℃,得到不同温度下的碳化产品,具有不同的比表面积和孔径分布。产品命名为PCN-600、PCN-700、PCN-800、PCN-900。
实施例1
制备PCN-600:
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热1h至600℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例2
制备PCN-700:
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热1h至700℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例3
制备PCN-800:
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热1h至800℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例4
制备PCN-900:
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热1h至900℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例5
制备PCN-700(2h)
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热2h至700℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例6
制备PCN-700(3h)
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热3h至700℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实施例7
制备PCN-700(6h)
将500mg的MIL-101(Fe)橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,每分钟3℃加热2h至700℃,N2气氛下冷却至室温。黑色粉末用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥得到产品。
实验与数据
本发明提供的模拟污染物的吸附性能和芬顿活性考察方法如下:
(1)吸附等温线实验
使用水浴恒温磁力搅拌器分批吸附收集四环素(tetracycline,TC)吸附等温线。称量6个磁性样品(5mg)并置于单独的100ml烧杯中。然后将100mL具有不同浓度(50,60,80,100,120,140mg/L)的四环素溶液加入到烧杯中,然后将其置于水浴恒温磁力搅拌器中并以250rpm的转速在常温下搅拌24小时。吸附后,用磁铁将碳铁复合材料与溶液分离,用HPLC高效液相色谱测定溶液中的TC浓度。基于重复实验,实验误差小于3.0%,置信水平为95%。
(2)动力学实验和芬顿降解再生实验
在典型的实验中,第一步包括在烧杯中混合10mg新鲜的碳铁复合材料和200mLTC溶液,并在搅拌器上在20℃下搅拌所得悬浮液。为了获得吸附动力学,在不同时间取出0.5mL溶液,并用高效液相色谱HPLC测定其TC浓度。搅拌24小时后,用磁铁分离悬浮液。从烧杯中倾析出上部溶液层,留下饱和的样品。然后向烧杯中加入40mL去离子水。接着,加入0.2mL 30wt%H2O2溶液,并且新的悬浮液在常温下搅拌4小时。然后将悬浮液磁分离,倾析出上层。剩余的固体是再生的磁性样品。第二个循环包括返回第一步但使用再生样品而不是新鲜样品。再生后,将前缀“R-”添加到样品名称(例如,R1-PCN-700)。
图1为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的不同温度下的三种多孔碳纳米材料的XRD谱图。从图中在44.5°和64.9°出现了典型的零价铁峰,是α相单质铁的(110)和(200)两个晶面,证明了Fe以零价铁的形式存在。
图2为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的不同温度下的4种多孔碳纳米材料的Raman谱图。从图中可以发现在1306cm-1和1582cm-1处典型石墨碳的D峰和G峰。
图3为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的不同温度下的4种多孔碳纳米材料的氮气吸附和脱附等温线和BJH法计算的相应孔径分布。从图中可以发现PCN-600、PCN-700、PCN-800、PCN-900都具有多孔结构,其中PCN-700的孔径分布以介孔为主。
图4为实施例2所制备的样品的原子力电镜测试结果,由图中可以清晰地看到,实施例2中制备的样品是碳纳米片负载Fe纳米颗粒的形貌。
图5为实施例2所制备的样品的透射电镜和扫描电镜测试结果,由图中可以清晰地看到碳纳米片很薄,平均厚度在5nm左右。
图6为实施例5、实施例6、实施例7得到的在700℃下退火2h、3h、6h的三种多孔碳纳米材料的扫描电镜图。从图中可以发现随着煅烧时间的增长,碳纳米片逐渐出现团聚。
图7为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4得到的不同温度下的4种碳铁复合材料吸附剂在相同条件下(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L)对四环素的吸附效果图,同时也包含了实例2的吸附剂通过Fenton降解再生1、2、3次的循环实验数据。吸附实验说明了700℃得到的产品PCN-700效果最好,同时PCN-700通过Fenton降解再生多次的循环使用效果也很好。
图8为实施例2、实施例5、实施例6、实施例7得到的在700℃下退火1h、2h、3h、6h的4种多孔碳纳米材料吸附剂在相同条件下(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L)对四环素的吸附效果图。吸附实验说明了700℃退火1h得到的产品PCN-700效果最好,随着退火时间的增长得到的材料对四环素的吸附效果也随之下降。
图9为实施例2得到的PCN-700在不同pH条件下对四环素的吸附效果图(吸附剂剂量=0.05g/L;初始四环素浓度=80mg/L;初始四环素的pH不同),PCN-700在宽pH范围内,都表现出很好的吸附性能,在接近中性的条件下吸附性能达到最高。
图10为实施例2得到的PCN-700的Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型拟合图,PCN-700对;Langmuir和Freundlich两种模型的有效性,分别拟合得到的最大吸附量为:1389.90mg/g,1217.78mg/g。
图11为实施例2得到的PCN-700对不同的抗生素(四环素、土霉素、盐酸金霉素、盐酸四环素、诺氟沙星、左氧氟沙星、培氟沙星、磺胺嘧啶、甲氧苄啶)的吸附效果图,可以看出,PCN-700对于广泛的抗生素都具有很好的吸附性能,尤其对于四环素类抗生素,吸附量都大于800mg/g,这对于工业应用来说具有很大的经济价值。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但是应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多孔结构的碳铁复合材料的制备方法,其特征在于具体制备步骤如下:
1)将一定量的FeCl3溶解在N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide,DMF)中得到溶液A;再将对苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B;在将溶液A倒入溶液B中;两者均匀混合后倒入水热釜中水热反应,将反应液离心,将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、水各洗涤若干次,干燥,得到橙色粉末;
2)将所述橙色粉末在氮气气氛下管式炉中煅烧,煅烧温度为600-900℃,氮气气氛下冷却至室温,用水清洗,然后磁分离,干燥,得到所述多孔结构的碳铁复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述FeCl3选自FeCl3·6H2O,其与苯二甲酸的质量比为:623:383。
3.根据权利要求1-2所述的制备方法,其特征在于:
1)将1.246g FeCl3·6H2O溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液A;再将0.766g对苯二甲酸溶解在40mL N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B;在将溶液A倒入溶液B中;两者均匀混合后倒入100ml水热釜中,在120℃水热反应18h;将反应液离心,将得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、水各洗涤3次,在70℃烘箱中干燥,得到橙色粉末;
2)将所述橙色粉末放入瓷舟中,在氮气气氛下管式炉中煅烧,升温速率为3℃/min,加热至600-900℃,保温1-6h,氮气气氛下冷却至室温;得到黑色粉末,用水清洗,然后磁分离,在70℃干燥,得到所述多孔结构的碳铁复合材料。
4.根据权利要求1-3所述的制备方法,其特征在于:步骤2中,加热至700℃,保温1h。
5.一种多孔结构的碳铁复合材料,其特征在于:所述材料具有多孔结构的碳纳米片,铁以零价铁的形式均匀分散在碳纳米片上,所述材料根据权利要求1-4任一项所述的制备方法制备得到。
6.一种如权利要求5所述的多孔结构的碳铁复合材料的用途,其特征在于:其用于吸附四环素类抗生素、喹诺酮类和/或磺胺类抗生素。
7.如权利要求6所述的用途,其特征在于,其用于吸附四环素类抗生素。
8.一种使用如权利要求5所述的多孔结构的碳铁复合材料吸附后的回收方法,其特征在于,将吸附后的多孔结构的碳铁复合材料分散在去离子水中,向其中加入30wt%H2O2溶液,常温下搅拌,将悬浮液磁分离,倾析出上层,剩余的固体为再生的多孔结构的碳铁复合材料。
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