李德明

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院　化工系，安徽　合肥　230011)

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磁性納米材料的制備及對(duì)廢水中苯酚的吸附研究

李德明

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系，安徽合肥230011)

摘要：實(shí)驗(yàn)制備了磁性納米Fe3O4顆粒，并利用APTES進(jìn)行氨基修飾，通過Tem、SEM等手段進(jìn)行了表征。同時(shí)，進(jìn)一步研究了氨基修飾的Fe3O4納米顆粒對(duì)水體中苯酚的吸附，并確定了吸附劑投加量、吸附時(shí)間、pH值、溫度、起始濃度等對(duì)吸附去除率的影響。

關(guān)鍵詞：氨基修飾；磁性納米材料；苯酚；吸附

隨著石化行業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境惡化問題也日益嚴(yán)重，尤其是樹脂制造業(yè)、制藥業(yè)和殺蟲劑生產(chǎn)業(yè)，所產(chǎn)生的苯酚廢水已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。由于苯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得此類物質(zhì)在自然界中很難自然降解。在苯酚廢水的處理工藝中，吸附是一種非常有效的方法。本實(shí)驗(yàn)利用氨基修飾磁性納米材料不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)苯酚的吸附，同時(shí)又能對(duì)其快速有效的分離，為工業(yè)化吸附的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。[1]—[4]

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)、丙酮(國(guó)藥集團(tuán))、無(wú)水乙醇(國(guó)藥集團(tuán))、無(wú)水甲醇(國(guó)藥集團(tuán))、冰乙酸(國(guó)藥集團(tuán))、三氯化鐵(國(guó)藥集團(tuán))、乙二醇(國(guó)藥集團(tuán))、聚乙二醇(國(guó)藥集團(tuán))、乙酸鈉(國(guó)藥集團(tuán))、去離子水(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))、透射電鏡(日立H7650型透射電子顯微鏡，加速電壓100kv)、掃描電鏡(日立X-650型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，加速電壓5.0KV)、超聲波清洗儀、酸度計(jì)、水熱釜。

1.2納米Fe3O4顆粒的制備

稱取1.2g三氯化鐵，加入25ml乙二醇溶解，然后加2.5 g乙酸鈉和1.0g聚乙二醇，在電磁攪拌器上攪拌30分鐘，超聲波震蕩20分鐘后，倒入水熱釜中。在190℃恒溫箱中反應(yīng)6小時(shí)后，在室溫下自然冷卻。通過外加磁場(chǎng)的作用，去離子水和無(wú)水乙醇交替清洗多次。反應(yīng)原理為：

2Fe3++OHCH2CH2OH+2OH-=2Fe2++CH3CHO+2H2O

2Fe3++ Fe2++8OH-=Fe3O4+4H2O

(1)

1.3氨基化修飾Fe3O4顆粒

利用氨基修飾[5]等方法對(duì)Fe3O4納米顆粒進(jìn)行活化。稱取0.5g活化后的Fe3O4分散到由乙醇和水(1ml)配成的100ml溶液中，超聲波分散溶液20分鐘，按照每10分鐘一滴的速度滴加1ml APTES，同時(shí)低速攪拌10小時(shí)，反應(yīng)完畢后，用無(wú)水乙醇、去離子水交替清洗數(shù)次，得到氨基修飾的Fe3O4納米顆粒。

1.4吸附試驗(yàn)

在150ml錐形瓶中，加入一定濃度的50ml苯酚溶液和修飾后的Fe3O4納米顆粒，超聲震蕩分散一定時(shí)間，然后分離，通過測(cè)苯酚的殘留量(4-氨基安替比林分光光度計(jì)法)，得到吸附去除率。

1.5回用實(shí)驗(yàn)

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)分離出的氨基修飾Fe3O4納米材料進(jìn)行再生處理，并再次吸附新溶液。多次實(shí)驗(yàn)后，研究吸附能力的下降情況。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1TEM分析

從圖1可以看到顆粒外形尺寸大于50 nm，粒徑比修飾前的Fe3O4略有增加。同時(shí)，從TEM照片中可以看出，粒子的核心形貌趨近于球形，表面出現(xiàn)了其他形態(tài)。增加的粒徑和形態(tài)產(chǎn)生的原因可能是：(1)來(lái)自于所包覆APTES的增厚；(2)由于粒子包覆的APTES之間的可能交聯(lián)引起的增厚；(3)可能是由于粒子本身的磁性引起了團(tuán)聚。

圖1TEM數(shù)據(jù)表征

2.2SEM分析

從圖2可以看到修飾后的Fe3O4表面形態(tài)發(fā)生了變化，由球形變成了類棉花的形狀。仔細(xì)觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，這些形狀的主體仍然是一些類似球形的結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)這種變化的原因，可能是在氨基修飾后，F(xiàn)e3O4納米顆粒在氨基的作用下出現(xiàn)了團(tuán)聚。雖然出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，但是分散的類棉花狀仍然增強(qiáng)了吸附性能。

圖2SEM數(shù)據(jù)表征

2.3吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響

在150ml錐形瓶中，加入50ml濃度為 50mg/L的苯酚溶液和修飾后的Fe3O4納米顆粒0.3g，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，隨著吸附時(shí)間的增加，苯酚的去除率逐步增加，但增加速率逐步減弱，在吸附時(shí)間達(dá)到15分鐘后，去除率變化不大，說(shuō)明吸附動(dòng)態(tài)平衡基本實(shí)現(xiàn)，延長(zhǎng)吸附時(shí)間，無(wú)法進(jìn)一步增大去除率。

圖3吸附時(shí)間對(duì)去除率的影響

2.4pH值對(duì)去除率的影響

在150ml錐形瓶中，加入50ml濃度為 50mg/L的苯酚溶液和0.3g修飾后的Fe3O4納米顆粒，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，隨著吸附環(huán)境pH值的增加，苯酚的去除率逐步增加，當(dāng)pH=10時(shí)，去除率達(dá)到90.1%，這是因?yàn)楸椒釉谌芤褐兄饕躁庪x子的形式存在，當(dāng)它與氨基修飾的Fe3O4顆粒作用時(shí)，陽(yáng)離子較大程度地吸附了苯酚陰離子?？紤]到工業(yè)化成本，本實(shí)驗(yàn)選用pH=9。

圖4pH值對(duì)吸附去除率的影響

2.5投加量對(duì)去除率的影響

在150ml錐形瓶中，加入50ml濃度為 50mg/L的苯酚溶液和修飾后的Fe3O4納米顆粒，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，隨著氨基化Fe3O4納米顆粒投加量的增加，苯酚的去除率逐步增加，但增加速率逐步減弱，在投加量超過0.3g后，去除率變化不大。

圖5投加量對(duì)去除率的影響

2.6溫度對(duì)去除率的影響

在150ml錐形瓶中，加入50ml濃度為50mg/L的苯酚溶液和0.3g修飾后的Fe3O4納米顆粒，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)溫度，來(lái)確定溫度對(duì)去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著溫度的增加，去除率呈現(xiàn)一個(gè)先增加后降低的過程，原因可能是前期溫度增加，提高了吸附劑的活性，使得吸附效果增加，溫度超過45℃后，原本放熱反應(yīng)的吸附，由于環(huán)境溫度過高而受到了影響。

圖6反應(yīng)溫度對(duì)去除率的影響

2.7起始濃度對(duì)去除率的影響

在150ml錐形瓶中，加入50ml濃度不同的苯酚溶液和0.3g修飾后的Fe3O4納米顆粒，通過調(diào)節(jié)苯酚起始濃度，確定起始濃度對(duì)去除率的影響，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，起始濃度對(duì)去除率的影響呈現(xiàn)為前期平穩(wěn)然后降低的趨勢(shì)，這說(shuō)明濃度較低時(shí)，吸附劑較好地實(shí)現(xiàn)了吸附，當(dāng)濃度超過吸附容量后，吸附去除率快速降低。本實(shí)驗(yàn)采用濃度為50mg/L。

圖7起始濃度對(duì)去除率的影響

2.8回收實(shí)驗(yàn)

當(dāng)氨基修飾Fe3O4達(dá)到吸附飽和后，進(jìn)行了吸附劑的分離和再生(采用90℃加熱60min)后，進(jìn)行了重復(fù)使用[6]—[7]，結(jié)果如下表所示?？芍?，吸附劑經(jīng)過吸附、再生重復(fù)使用6次后,其對(duì)苯酚吸附去除率下降并不明顯,總損失率約為2.6%。

吸附劑再生對(duì)去除率的影響表

再生次數(shù)去除率(%)再生次數(shù)去除率(%)186.8584.9286.1684.2386.3777.4485.4856.6

3結(jié)論

Fe3O4經(jīng)過氨基修飾后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)苯酚的吸附。在吸附劑用量為0.3g，PH值為9，吸附時(shí)間大于15分鐘時(shí)，溫度在45℃下，對(duì)50ml濃度為50mg/L的苯酚的去除效率可以達(dá)到90 %以上。對(duì)吸附劑再生次數(shù)達(dá)到6次時(shí)，去除率下降效果僅為2.6%。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：竇靜)

收稿日期：2016—05—09

基金項(xiàng)目：2014年安徽省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2014zy111)； 2015年度安徽教育廳高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目重點(diǎn)項(xiàng)目“基于巢湖藍(lán)藻和硫酸工業(yè)廢棄物為前驅(qū)體制備磁性納米材料對(duì)工業(yè)廢水處理的研究”(KJ2015A412)；2016年安徽高校省級(jí)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于建筑垃圾廢棄物和巢湖淤泥為前驅(qū)體制備環(huán)保型高效自保濕墻體材料的研究及其應(yīng)用”(KJ2016A390)

作者簡(jiǎn)介：李德明(1980—)，男，山東濰坊人，安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系講師，碩士，研究方向：環(huán)境工程和水處理。

中圖分類號(hào)：X703；TB383

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—9536(2016)02—0022—04

Abstract：We produced the magnetic Fe3O4 nanoparticles，and amino modified by APTES，which is characterized by means of TEM and SEM characterization.Further study of the adsorption of phenol for the amino modified Fe3O4 nanoparticles is made.The effects of adsorbent dosage，adsorption time，pH value，temperature，initial concentration on the removal rate of adsorption is determined.

Key words：amino modification; magnetic nano materials; phenol; adsorbent