CN115007123B - 一种端氨基超支化磁性复合材料、制备方法及循环使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种端氨基超支化磁性复合材料、制备方法及循环再生再使用方法,涉及化学工程分离领域,所述端氨基超支化磁性复合材料制备方法包括:采用共沉淀法制备磁性Fe3O4固体材料;将磁性Fe3O4分别与甲醇、3‑氨基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸甲酯、二亚乙基三胺反应制得端氨基超支化磁性复合材料。应用本发明制备的端氨基超支化磁性复合材料分离水体中悬浮微粒,能够实现低投加量高分离率的效果,且分离前水体无需调节pH、稀释等预处理,分离效率高。
Description
技术领域
本发明涉及化学工程分离技术领域,具体的说是一种端氨基超支化磁性复合材料、制备方法及循环使用方法。
背景技术
在当前水环境处理中,水体中悬浮微粒的分离与去除,通常在污水深度处理的预处理环节,承担十分重要的角色。化学絮凝法作为水体中悬浮微粒的主要分离方法之一,通过投加化学药剂,使水体中的悬浮微粒不断聚集并成为更大的絮体/絮团,从而加快悬浮微粒沉降,实现固液分离。但该方法通常耗时较长,一般为60~120min,且投加的金属盐类絮凝剂易造成水体二次污染。
磁絮凝分离技术作为化学絮凝的一个分支,通过向待处理水体中投加一定浓度的磁性材料,磁性材料和水体中悬浮微粒在吸附电中和、压缩双电层、网捕架桥和卷扫等的作用下凝聚、聚集,再在外加磁场作用下,实现悬浮微粒高效分离。为了提高磁性材料对悬浮微粒的分离效率,磁性材料在使用前通常会进行功能化组装,即采用聚合物与Fe3O4以原位或异位组装的方式,使聚合物与Fe3O4组装成具有核壳结构的磁性复合材料(Wang S.,2015,9,178-185)。目前与Fe3O4组装的聚合物,主要以无机聚合物(Al2(SO4)3、PAC等)、有机聚合物(PEI、PDDA等)、生物类(壳聚糖、淀粉等)为主。这些聚合物与Fe3O4组装后所获得的磁性复合材料,能够在一定条件下实现水体中悬浮微粒的分离去除。但在磁性复合材料的循环再生环节,多数磁性复合材料再生再使用时,悬浮微粒的分离率逐渐下降,且再使用时需要与聚合物重组装。这种再生再使用性能的降低,主要是由于Fe3O4与聚合物在组装环节,所组装的聚合物官能团与Fe3O4结合稳定性差造成。
目前与Fe3O4组装的聚合物,多数以线型或链状聚合物为主,聚合物链端的N–基官能团多在Fe3O4表面组装,组装稳定性不高。
发明内容
为了解决现有技术中的不足,本发明提供一种端氨基超支化磁性复合材料、制备方法及循环使用方法,该磁性复合材料基于超支化聚合物中独特的三维超分支结构,通过可控组装对磁性Fe3O4增容,以提升其多相活性吸附位点,进而提升其组装稳定性。
为了实现上述目的,本发明采用的具体方案为:
一种端氨基超支化磁性复合材料的制备方法,主要包括如下步骤:
S1、采用共沉淀法制备磁性Fe3O4;
S2、端氨基超支化聚合物与磁性Fe3O4原位组装
S21、按照10:160:50:1:1.25的质量比分别称取步骤S1制备的磁性Fe3O4、甲醇溶液、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸甲酯以及二乙烯三胺;
S22、将磁性Fe3O4溶于甲醇溶液中,向其中滴加3-氨基丙基三甲氧基硅烷,并于60℃下搅拌均匀;
S23、向步骤S22得到的混合溶液中添加丙烯酸甲酯,并于室温下搅拌均匀,得到中间产物I;
S24、向步骤S23得到的中间产物I中加入二乙烯三胺,并于冰水浴环境下搅拌均匀,得到中间产物II;
S25、将步骤S24得到的中间产物II于65℃下反应1h,然后升温至140℃并反应2h,即得到端氨基超支化磁性复合材料。
进一步地,步骤S1中,磁性Fe3O4的制备方法为:
S11、将FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O按照1:2的摩尔比溶解于去离子水中,于室温下加入NH4OH剧烈搅拌使溶液的pH为10;
S12、取溶液中下层黑色沉淀物于80℃温度下加热30min,然后清洗、冷冻干燥,即得到磁性Fe3O4。
一种由上述的制备方法制得的端氨基超支化磁性复合材料,所述端氨基超支化磁性复合材料能够用于分离水体中的悬浮微粒。
所述端氨基超支化磁性复合材料的单体结构式为:
一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,具体包括如下步骤:
(1)、将上述的端氨基超支化磁性复合材料投加到待处理的水体中,充分搅拌后形成超支化磁絮凝体,使端氨基超支化磁性复合材料的终浓度在0.1mg/L-10mg/L,
(2)、在外加磁场下对步骤(1)形成的超支化磁絮凝体磁分离以去除水体中的悬浮微粒;
(3)、采用超声法将端氨基超支化磁性复合材料与悬浮微粒拆分开,并在磁场作用下使端氨基超支化磁性复合材料再生,再生的端氨基超支化磁性复合材料能够再次用于分离水体中的悬浮微粒。
进一步地,步骤(1)中,待处理水体的pH为2.0-13.5。
进一步地,步骤(2)中,磁场强度为≥250G。
进一步地,步骤(3)中,超声频率25KHz~40KHz。
本发明所述端氨基超支化磁性复合材料的制备方法为:先采用共沉淀法制备磁性Fe3O4,再将Fe3O4加入端氨基超支化聚合物的制备中,使Fe3O4嵌入超支化聚合物的三维超分支结构,原位组装制备端氨基超支化磁性复合材料。与传统磁性材料相比,该端氨基超支化磁性复合材料具有超支化聚合物独特的三维大分支结构,支化度高,且原位组装的过程中,超支化聚合物三维组装体中的羰基(–C=O)和氮基(–N)交织的三维网状结构,使其具有超强的分子间作用力,能够通过对Fe3O4扩容以提升其多相吸附位点,增强超支化磁性复合材料的稳定性。
有益效果:
1)本发明的端氨基超支化磁性复合材料,处理对象为高浓度悬浮微粒的水体,所处理水体浊度可扩大至8000NTU,分离前无需pH调节、稀释等预处理,且悬浊液浊度极高,为常规絮凝水体浊度的10~200倍。
2)本发明所述端氨基超支化磁性复合材料原位组装,将超支化聚合物合成过程中的加成、缩聚反应与同磁性Fe3O4的接枝改性同步进行,一步式原位组装合成端氨基超支化磁性复合材料。该端氨基超支化磁性复合材料打破线型传统聚合物在Fe3O4表面接枝的固有思路,所述原位组装形式为“内嵌式”原位组装,此种组装形式使超支化磁性复合材料兼具超支化聚合物的三维立体构型、活性端基基团以及大量内部空穴,这种结构使磁性复合材料的使用效率、稳定性都更高,在水处理领域更具优势。
3)本发明所采用端氨基超支化磁性复合材料制备过程简单,可操作性强,能够进一步提高磁分离效率,且投加量可降低至0.1mg/L~10mg/L,使用成本低。
4)本发明所采用的端氨基超支化磁性复合材料再生稳定性显著提高,再生再使用效率稳定,再生方法简单、易操作。磁分离实验后,可采用超声法将端氨基超支化磁性复合材料与悬浮微粒拆分,即可再次应用于水体中悬浮微粒的磁分离。与传统磁性复合材料相比,该端氨基超支化磁性复合材料可重复至少10~20次以上,每次再生后再使用的分离率均在95%~99%之间,实现了磁性复合材料的稳定再生再使用,使用成本进一步降低。
5)本发明提供的端氨基超支化磁性复合材料及其应用,分离时间短,对分离设备要求低,可大规模工业化推广。
6)本发明所分离的水体悬浊液,在处理前无需进行pH调节、稀释、离心等前处理,减少分离成本。
附图说明
图1为本发明中磁性复合材料的合成路线图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
一种端氨基超支化磁性复合材料的制备方法,请参考图1,主要包括如下步骤:
S1、采用共沉淀法制备磁性Fe3O4
S11、将FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O按照1:2的摩尔比溶解于去离子水中,于室温下加入NH4OH剧烈搅拌使溶液的pH为10;
S12、取溶液中下层黑色沉淀物于80℃温度下加热30min,然后清洗、冷冻干燥,即得到磁性Fe3O4;
S2、端氨基超支化聚合物与磁性Fe3O4原位组装
S21、按照10:160:50:1:1.25的质量比分别称取步骤S1制备的磁性Fe3O4、甲醇溶液、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸甲酯以及二乙烯三胺;
S22、将磁性Fe3O4溶于甲醇溶液中,向其中滴加3-氨基丙基三甲氧基硅烷,并于60℃下搅拌均匀;
S23、向步骤S22得到的混合溶液中添加丙烯酸甲酯,并于室温下搅拌均匀,得到中间产物I;
S24、向步骤S23得到的中间产物I中加入二乙烯三胺,并于冰水浴环境(4℃左右)下搅拌均匀,得到中间产物II;
S25、将步骤S24得到的中间产物II于65℃下反应1h,然后升温至140℃并反应2h,即得到端氨基超支化磁性复合材料。
一种由上述的端氨基超支化磁性复合材料的制备方法制得的端氨基超支化磁性复合材料。
所述端氨基超支化磁性复合材料的单体结构式为:
一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,具体包括如下步骤:
(1)、将上述的端氨基超支化磁性复合材料投加到pH为2.0-13.5的待处理水体中,充分搅拌后形成超支化磁絮凝体,使端氨基超支化磁性复合材料的终浓度在0.1mg/L-10mg/L;
(2)、在磁场强度≥250G的外加磁场下对步骤(1)形成的超支化磁絮凝体磁分离以去除水体中的悬浮微粒;
(3)、采用超声法以25KHz~40KHz的超声频率将端氨基超支化磁性复合材料与悬浮微粒拆分开,并在磁场作用下使端氨基超支化磁性复合材料再生,再生的端氨基超支化磁性复合材料能够再次用于分离水体中的悬浮微粒。
上述步骤(1)中,磁性复合材料投加到待处理水体中,搅拌时间优选为0.5min~1min。搅拌转速为50~200rpm,例如50rpm、70rpm、90rpm、120rpm、150rpm,200rpm,优选80~150rpm。
在步骤(2)中,所述磁分离在永磁铁上进行,磁场强度为≥250G,如250G、500G、700G、1000G、1200G、1500G、2000G、2500G,优选为500G~2000G。所述磁分离时间为0.5~5min,如0.5min、1.0min、3min、5min,进一步优选为0.5min~3.0min。
端氨基超支化磁性复合材料再生率为95%~99%;将再生后的端氨基超支化磁性复合材料再次用于悬浮微粒分离;上述步骤可重复至少10次及以上,磁分离率仍可达到90%以上。
所述分离的悬浮微粒包括不溶于水体或能造成水体产生浊度的粉尘颗粒、泥沙、黏土、原生动物等,以及河道湖泊水体中引起水华的蓝藻、绿藻等,如小球藻、微囊藻藻属。优选为水体中的藻类微生物、粉尘泥沙等胶体悬浮颗粒物。
本发明在磁性Fe3O4制备的基础上,直接将端氨基超支化聚合物与Fe3O4原位组装,一步合成制备端氨基超支化磁性复合材料,用于水体中悬浮微粒的分离去除,实现快速、高效、稳定磁分离捕集。与传统磁性材料相比,该端氨基超支化磁性复合材料采用原位一步合成,制备方法操作简单,能够进一步降低材料投加量,提高对水体中悬浮微粒的分离效果;在材料的再生环节,该端氨基超支化磁性复合材料能够实现多次循环再生,再生后能够多次、稳定用于水体中悬浮微粒分离,多次再生后悬浮微粒分离率均能达到90%-98%。
以下采用多个实施例对采用上述方法制备的磁性复合材料的循环使用方法进行详细阐述。
实施例1
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为2.50mg/L的投加量,投加到高岭土悬浊液中(浊度为1302NTU,pH为5.89),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G的磁场上沉降,5min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为97.3%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为97.6%;再次按照终浓度为2.5mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的高岭土悬浊液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为92.6%。
实施例2
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为4.00mg/L的投加量,投加到钻井废水悬浊液中(浊度为1950NTU,pH为7.64),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于2300G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为95.5%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为98.2%;再次按照终浓度为4.00mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的钻井废水悬浊液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于2300G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为93.4%。
实施例3
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为5.50mg/L的投加量,投加到铜绿微囊藻培养原液中(浊度为4790NTU,pH为10.75),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为98.5%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为98.9%;再次按照终浓度为5.50mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的铜绿微囊藻培养原液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为96.5%。
实施例4
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为3.50mg/L的投加量,投加到采矿废水中(浊度为3200NTU,pH为8.60),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于2300G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为94.8%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为96.1%;再次按照终浓度为5.50mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的采矿废水中,100rpm转速搅拌1min后,静置于2300G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为92.3%。
实施例5
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为3.50mg/L的投加量,投加到四尾栅藻培养液中(浊度为6780NTU,pH为10.89),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为98.5%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为96.1%;再次按照终浓度为3.50mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的四尾栅藻培养液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为97.5%。
实施例6
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为3.00mg/L的投加量,投加到黄河泥水悬浊液中(浊度为4530NTU,pH为8.62),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于1900G磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为95.5%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为98.7%;再次按照终浓度为3.00mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的黄河泥水悬浊液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于1900G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为94.2%。
实施例7
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为3.00mg/L的投加量,投加到黄河泥水悬浊液中(浊度为7860NTU,pH为10.94),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为96.0%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为95.7%;再次按照终浓度为3.00mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的黑臭河段水体中,100rpm转速搅拌1min后,静置于3800G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为91.7%。
实施例8
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为1.50mg/L的投加量,投加到某河泛暴发水体悬浊液中(浊度为2650NTU,pH为7.89),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为95.9%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为95.2%;再次按照终浓度为1.50mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的河泛暴发水体中,100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为92.0%。
实施例9
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为1.00mg/L的投加量,投加到普通小球藻培养原液中(浊度为1750NTU,pH为11.40),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为97.3%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为96.1%;再次按照终浓度为1.00mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到相同的普通小球藻培养原液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于1600G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为94.1%。
实施例10
将端氨基超支化磁性复合材料(Fe3O4@HBP-NH2)按照终浓度为1.00mg/L的投加量,投加到施工工地附近水体悬浊液中(浊度为3260NTU,pH为9.55),采用100rpm转速搅拌1min后,静置于2300磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,采用公式(1)计算分离率,得分离率为98.3%。磁分离结束后,采用超声法将上述Fe3O4@HBP-NH2再生,并按照公式(2)计算再生率,得到再生率为97.4%;再次按照终浓度为1.00mg/L的投加量,将再生的Fe3O4@HBP-NH2投加到施工工地附近水体悬浊液中,100rpm转速搅拌1min后,静置于2300G的磁场上沉降,1min后测定上清液浊度,用公式(1)计算再生后的磁分离效率为92.9%。
对于传统磁絮凝剂,其投加方式,大多需要将Fe3O4和聚合物预先混合复配后再投加到待处理水体中,投加方式繁琐;即使将Fe3O4和聚合物预先制备出磁性复合材料再投加,多数材料的再生稳定性不高,再生再使用时需要重组装。而本发明所述端氨基超支化磁性复合材料,投加方式为一步投加,使用方式简单,使用后端氨基超支化磁性复合材料可再生,多次再生率均在95%以上。由于端氨基超支化磁性复合材料独特的层层式、嵌入式三维组装结构,使超支化聚合物与Fe3O4组装的结合键更牢固,因此多次再生再使用时,所述磁材料对水体中悬浮微粒的分离率依然在90%以上,使用稳定性大大提高。本发明的端氨基超支化磁性复合材料,磁分离效率稳定,0.5min分离率可高达92%以上,5min内可达96%以上,投加量进一步低至0.1mg/L,所处理水体浊度可提高至8000NTU,且水样无需pH调节、稀释、离心等预处理,制备及投加方式简单,使用稳定性高。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
(1)、将端氨基超支化磁性复合材料投加到待处理的水体中,充分搅拌后形成超支化磁絮凝体,使端氨基超支化磁性复合材料的终浓度在0.1mg/L-10mg/L,
(2)、在外加磁场下对步骤(1)形成的超支化磁絮凝体磁分离以去除水体中的悬浮微粒;
(3)、采用超声法将端氨基超支化磁性复合材料与悬浮微粒拆分开,并在磁场作用下使端氨基超支化磁性复合材料再生,再生的端氨基超支化磁性复合材料能够再次用于分离水体中的悬浮微粒;
其中,步骤(1)中端氨基超支化磁性复合材料的制备方法主要包括如下步骤:
S1、采用共沉淀法制备磁性Fe3O4;
S2、端氨基超支化聚合物与磁性Fe3O4原位组装
S21、按照10:160:50:1:1.25的质量比分别称取步骤S1制备的磁性Fe3O4、甲醇溶液、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酸甲酯以及二乙烯三胺;
S22、将磁性Fe3O4溶于甲醇溶液中,向其中滴加3-氨基丙基三甲氧基硅烷,并于60℃下搅拌均匀;
S23、向步骤S22得到的混合溶液中添加丙烯酸甲酯,并于室温下搅拌均匀,得到中间产物I;
S24、向步骤S23得到的中间产物I中加入二乙烯三胺,并于冰水浴环境下搅拌均匀,得到中间产物II;
S25、将步骤S24得到的中间产物II于65℃下反应1h,然后升温至140℃并反应2h,即得到端氨基超支化磁性复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,其特征在于,步骤S1中,磁性Fe3O4的制备方法为:
S11、将FeSO4·7H2O和FeCl3·6H2O按照1:2的摩尔比溶解于去离子水中,于室温下加入NH4OH剧烈搅拌使溶液的pH为10;
S12、取溶液中下层黑色沉淀物于80℃温度下加热30min,然后清洗、冷冻干燥,即得到磁性Fe3O4。
4.根据权利要求1所述一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,其特征在于,步骤(1)中,待处理水体的pH为2.0-13.5。
5.根据权利要求1所述的一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,其特征在于,步骤(2)中,磁场强度≥250G。
6.根据权利要求1所述的一种端氨基超支化磁性复合材料的循环使用方法,其特征在于,步骤(3)中,超声频率25KHz~40KHz。
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