CN112791706A - 一种磁性吸附剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性吸附剂及其制备方法,属于复合材料领域。所述的磁性吸附剂结合壳聚糖阳离子性、明胶两性的结构与性质,引入四氧化三铁的磁性以及CTAB作为阳离子表面活性剂特性,制备得到的一种具有高效吸附及再生功能的磁性吸附材料。本发明制备方法简单,该磁性吸附剂与溶液易分离,不易损失,分离过程省时高效可以循环利用,在染料吸附方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域,具体涉及一种高吸附能力的磁性吸附剂及其制备方法。
背景技术
随着人们对物质生活的不断提高,与染料相关的产业如皮革、印染、纺织以及化妆品等快速发展,其结果之一就是未经处理的染料废水排放到水体环境中对水体生物和人类健康带来巨大威胁。染料废水通过干扰水体生物的光合作用,导致水体失去自净功能;并且其生物毒性对人体会产生致癌、致畸以及致突的严重危害。由于巨大的毒性作用,染料的处理已经引起广泛关注。传统的染料废水处理方法主要有生物处理法、化学氧化法、电化学法、絮凝沉淀法、吸附法、光催化降解法、膜分离法和溶剂萃取法等。吸附法其操作简单、处理效率高以及可再生一直备受关注,但大多数吸附剂存在再生困难,易流失、使用成本高等问题,因此研制一种廉价、高效、环境友好和生物相容性好的生物吸附剂是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种高吸附性能的磁性生物吸附剂及其制备方法。所述的磁性吸附剂结合壳聚糖阳离子性、明胶两性的结构与性质,引入四氧化三铁的磁性以及CTAB作为阳离子表面活性剂特性,制备得到的一种具有高效吸附及再生功能的磁性吸附材料,所制备的磁性生物吸附剂具有具有高正电荷和磁响应性,制备简单和易于回收的特点。该磁性吸附剂可通过静电作用、氢键作用、范德华力多种作用吸附有机染料新胭脂红(AR 18),当染料浓度在增加至150mg/L时,去除率仍然在90%以上,表明在有机染料吸附方面具有优异的性能。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明提供一种高吸附性能的磁性生物吸附剂及其制备方法,以壳聚糖和明胶为原料,戊二醛为交联剂、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为阳离子表面活性剂,制备了MCGC,具体步骤如下:
(1)合成羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子
通过溶剂热法制备Fe3O4磁性纳米粒子。具体实验步骤如下:称取0.1-3.0 g柠檬酸钠、1.0-4.0 g FeCl3·6H2O 和1.0-10 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入30-150 mL乙二醇中,超声分散均匀后得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2并加热至170 ℃,恒温机械搅拌0.5-3.0 h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱170-300 ℃反应8.0-20 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)合成磁性壳聚糖/明胶/CTAB纳米复合材料
分别配置0.4-4.0 g质量分数为3.0 %的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2.0 %)和0.1-3.0 g质量分数为6.0 %的明胶水溶液,将其分别在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入1.0-5.0 g的CTAB和0.2-2.0 g 羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子,继续50 ℃搅拌40 min,加入0.2-2.0 mL 50 wt%的戊二醛溶液,反应2 h结束后,用无水乙醇洗涤三次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到最终产物MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺
首先配置25-150 mg/L的一系列 AR 18溶液。将一定量的MCGC加入到上述溶液中,在室温下50-200 rpm振荡吸附1.0-10 h,用磁铁快速分离磁性生物吸附剂与AR 18,取上清液用紫外分光光度计在507nm检测即可得到吸附效果。
优选的,步骤(2)中壳聚糖:明胶:CTAB:羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子的质量比为6:6:10:3。
本发明的显著优点在于:
本发明合成了磁性壳聚糖/明胶/CTAB纳米复合材料,并将其用于吸附有机染料AR18。通过席夫碱反应将明胶和壳聚糖包覆在四氧化三铁表面,使表面分布氨基、羟基等官能团,而CTAB的引入提高了复合材料具有更大的正电荷,增强了对AR 18的吸附作用。同时,其材料简易、快捷的磁分离功能也有利于简化吸附AR 18的时间并可进行脱附再生利用节约成本,在有机染料吸附方面有广泛的应用前景。
壳聚糖大分子链上散布着很多羟基、氨基、N-乙酰氨基等活性官能团;明胶分子链上含有丰富的氨基、羟基、羧基等官能团,将两者交联后得到的聚合物所具有的基团在特定条件下能与染料分子上的一些基团如磺酸基、偶氮基、羟基、氨基等通过离子键或者氢键的方式结合,从而达到吸附染料的目的。在材料中掺杂CTAB有以下几个优势:第一,可为纳米材料提供化学惰性的稳定剂,其所含有的官能团可为材料提供正表面电荷,制备得到的三元复合材料对被吸附物的选择吸附能力提高;第二,使得制备的MCGC复合材料表面疏松,改进材料的表面性能;第三,降低复合材料的经济成本,可生物降解,可作为环保经济型生物吸附剂。此外,具有磁响应性的磁性四氧化三铁的引入能够使材料在溶液中快速的分离,有效解决了分离时间长和吸附剂损失的不足。
附图说明
图1为磁性吸附剂材料的红外光谱图;
图2为磁性吸附剂对AR 18的吸附效果图;
图3为壳聚糖、明胶以及羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子体系中引入不同的表面活性剂的吸附结果比较。
具体实施方式
为了更详细的描述本发明的实施方式,下面结合具体实施方式和附图说明对本发明所述的技术方案进行清楚、完整的说明。然而,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50℃搅拌40 min,加入1.0 mL50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为25 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
实施例2:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为50 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
实施例3:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为75 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
实施例4:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为100 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
实施例5:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为125 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
实施例6:
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的CTAB,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGC。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将25 mg步骤(2)的MCGC加入50mL、浓度为150 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
对比例1:(磁性吸附剂中不添加CTAB)
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子,继续50 ℃搅拌40 min,加入1.0 mL50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCG。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将20 mg步骤(2)的MCG加入50mL、浓度为100 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
对比例2:(磁性吸附剂中表面活性剂为SDS)
一种高吸附能力的磁性生物吸附剂及其制备方法,包括以下步骤:
(1)通过溶剂热法制备羧基化Fe3O4磁性纳米粒子。称取0.4 g柠檬酸钠、2.70 gFeCl3·6H2O 和7.40 g 乙酸铵于250 mL三口烧瓶,然后加入75 mL 乙二醇中,超声处理30min 得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2,加热至170 ℃,恒温机械搅拌1h,得到红棕色溶液。然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱200 ℃反应16 h。反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h。
(2)制备磁性吸附剂:制备1.2 g 质量分数3.0 % 的壳聚糖醋酸水溶液(醋酸的体积分数为2%)和1.2 g 质量分数6.0 %的明胶水溶液,将其在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入步骤(1) 0.6 g 羧基化Fe3O4磁性纳米粒子和2.0 g的十二烷基硫酸钠(SDS),继续50℃搅拌40 min,加入1.0 mL 50wt%的戊二醛溶液,继续250 rpm搅拌2 h,反应结束后,用无水乙醇洗涤3次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到MCGS。
(3) 磁性吸附剂用于吸附有机染料AR 18的工艺:将20 mg步骤(2)的MCGS加入50mL、浓度为100 mg/L的AR 18中,在室温下120 rpm振摇4 h,用磁铁快速分离磁性吸附剂后,取上清液用紫外分光光度计检测即可得到吸附效果。
图1为MCGC的FT-IR光谱。在3389cm-1处的宽强峰属于N-H和O-H的重叠拉伸振动,2918 cm-1和2850 cm-1处为壳聚糖的脂肪族CH的伸缩振动峰,1530 cm-1、1443 cm-1并且1242cm-1处较强吸收为明胶的特征吸收峰,1599 cm-1处的-NH2的特征峰消失,C-O-C向低波数移动,在1067 cm-1处出峰。在1659 cm-1波数处形成的Schiff碱(-C=N-)吸收出峰,表明壳聚糖、明胶的氨基与戊二醛发生了交联反应。同时C=O伸缩振动特征峰与酰胺I带峰也会在此处重叠。
从图2可以看出,该磁性吸附剂对不同浓度的AR 18有机染料都具有较好的吸附效果,当磁性吸附剂在用量在25mg,AR 18浓度在25-100 mg/L时,去除效率为100%,当浓度为150mg/L时,去除效率为90.79%。图3是壳聚糖、明胶以及羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子体系中引入不同的表面活性剂的吸附结果比较。可以看出加入20 mg的不同材料对50mL 100mg/L的AR 18的吸附效果是不同的。当引入阴离子表面活性剂SDS后,其去除率为27.12%,对吸附具有抑制作用。相比MCG,引入阳离子表面活性剂CTAB后,其去除率为95%,说明CTAB的引入增强了染料的吸附效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种高吸附能力的磁性吸附剂制备方法,其特征在于:该吸附剂是以明胶和壳聚糖为构建单元,CTAB为阳离子表面活性剂,在四氧化三铁纳米颗粒表面包裹而形成的核壳结构的磁性吸附剂。
2.根据权利要求1所述高吸附能力的磁性吸附剂的制备方法,其特征在于:
首先制备羧基功能化的四氧化三铁纳米粒子,将壳聚糖、明胶、CTAB以及四氧化三铁在溶剂中搅拌混合均匀,加入一定浓度的戊二醛溶液,控制反应温度和反应时间,最后将反应产物清洗干净后冷冻干燥,得到最终产物磁性壳聚糖/明胶/CTAB纳米复合材料吸附剂MCGC。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述方法具体操作如下:
(1)合成羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子
取柠檬酸钠、FeCl3·6H2O 和乙酸铵于三口烧瓶,然后加入乙二醇,超声分散均匀后得到黄色的混合物溶液,将三口烧瓶转移至油浴锅,通入N2并加热至170 ℃,恒温机械搅拌0.5-3.0 h,得到红棕色溶液,然后将该溶液转移到反应釜中,放入烘箱170-300 ℃反应8.0-20 h,反应完成后,取出反应釜冷却至室温,产物用磁铁分离,并用乙醇和水分别洗涤三次,将洗涤后的产物在50 ℃下真空干燥24 h;
(2)合成磁性壳聚糖/明胶/CTAB纳米复合材料
分别配置壳聚糖醋酸水溶液和明胶水溶液,将其分别在50 ℃下搅拌30 min后混合,然后加入CTAB和羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子,继续50 ℃搅拌40 min,加入戊二醛溶液,反应2h结束后,用无水乙醇洗涤三次,产物用磁铁分离后进行冷冻干燥,得到最终产物MCGC。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:壳聚糖醋酸水溶液中,壳聚糖的质量分数为3.0 %,醋酸的体积分数为2.0 %。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:明胶水溶液中,明胶的质量分数为6.0%。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:戊二醛溶液的浓度为50 wt%。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中混合温度为50℃。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中搅拌温度为50℃。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中壳聚糖:明胶:CTAB:羧基化的Fe3O4磁性纳米粒子的质量比为6:6:10:3。
10.根据权利要求1所述的制备方法制得的磁性吸附剂在去除有机染料新胭脂红中的应用。
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