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        Fe3O4@mSiO2磁性納米材料的制備及其對Fe3+吸附性能的研究

        2021-11-28 13:07:42吳娟華小雨陳卓涵趙雨曾詩豪張瑩
        江蘇理工學(xué)院學(xué)報 2021年4期
        關(guān)鍵詞:磁性材料

        吳娟 華小雨 陳卓涵 趙雨 曾詩豪 張瑩

        摘? ? 要:采用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒,以正硅酸四乙酯為前驅(qū)體,使mSiO2包覆在Fe3O4納米粒子上;通過透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外光譜分析(FT-IR)等儀器和手段,分析其形貌、晶型、粒度。討論了不同反應(yīng)時間、溶液濃度、吸附劑的量等試驗條件下,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米材料對Fe3+吸附性能的影響。結(jié)果表明:Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+有較強的吸附能力;反應(yīng)時間160 min時的吸附效果最佳;吸附容量隨著吸附劑質(zhì)量的增加而增加。

        關(guān)鍵詞:磁性材料;Fe3+吸附性能;水污染治理

        中圖分類號:O69? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:2095-7394(2021)04-0001-08

        隨著我國城市化、工業(yè)化的發(fā)展,城市、工廠排放的含有金屬離子廢水的量與日俱增,所造成的水污染問題也日益嚴(yán)峻[1-2]。如何有效去除污水中的重金屬離子,是污水處理的重要研究領(lǐng)域。磁性納米粒子的比表面積大,吸附重金屬的容量大、效率高,而且具有容易分離和回收再利用的優(yōu)點,因而成為研究的熱點[3-8]。

        實驗表明:納米材料的導(dǎo)向性十分優(yōu)異,有助于藥物在人體內(nèi)的傳輸;將其作為藥物載體,在外部磁場作用下能使藥物準(zhǔn)確到達病變部位。Fe3O4磁性納米材料具有良好的超順磁性,且沒有毒性,因此,在靶向藥物、免疫測定以及酶的固定等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[9-12]。在環(huán)境治理中,介孔Fe3O4@mSiO2納米材料目前主要應(yīng)用于大氣及水的污染控制、噪音和環(huán)境的監(jiān)測等方面[13-15]。

        1? ? 實驗部分

        1.1? 儀器及試劑

        電子天平(CP153,奧豪斯儀器常州有限公司),智能靜電超聲波清洗機(XM-3200UVF,太倉精宏儀器設(shè)備有限公司),精密增力電動攪拌器(JJ-1,常州市江南實驗儀器廠),恒溫水浴鍋(HH-1,常州市江南實驗儀器廠),氣浴恒溫震蕩器(SH2-82A,常州市江南實驗儀器廠),紫外分光光度計(UV1800PC,上海菁華科技儀器有限公司)。

        六水合三氯化鐵(FeCl3?6H2O)、硫酸亞鐵(FeSO4?7H2O)、乙二醇(EG),氨水、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、1,3,5-三甲基苯(TMB)、正硅酸四乙酯(TEOS)、正辛烷(C8H18)均為分析純。

        1.2? Fe3O4磁流體的制備

        將12.2 g六水合氯化鐵(FeCl3?6H2O)和8.4 g七水合硫酸亞鐵(FeSO4?7H2O)倒入25 mL蒸餾水中,氮氣保護下加熱攪拌至70 ℃。隨后,快速將15 mL濃度為25%的NH3?H2O注入到混合物中,將反應(yīng)體系中的pH值調(diào)節(jié)為9~10,反應(yīng)進行30 min。之后,加入2.5 g油酸(OA),將反應(yīng)體系的溫度升高并保持在85 ℃,反應(yīng)20 min后冷卻至室溫。最后,用蒸餾水洗滌幾次,使之分散在正辛烷中,形成Fe3O4磁流體。

        1.3? Fe3O4@mSiO2磁性納米復(fù)合材料的制備

        首先,移取0.74 mL的Fe3O4磁流體(2.5%,W/V),加入到含有0.15 g十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的10 mL水溶液中,超聲攪拌30 min。超聲攪拌結(jié)束后,將溶液移入燒瓶,在70 ℃下繼續(xù)攪拌15 min。其次,配制含有0.7 mL氨水(NH3?H2O)、10 mL乙二醇(EG)和30 mL蒸餾水的混合溶液,并將其加入到上述反應(yīng)燒瓶中繼續(xù)攪拌10 min。接著,稱取0.2 g的1,3,5-三甲基苯(TMB),加入上述溶液反應(yīng)2 h;再準(zhǔn)確移取400 μL正硅酸四乙酯(TEOS)加入其中,70 ℃下恒溫反應(yīng)3 h;之后,使樣品自然冷卻到室溫。最后,通過磁鐵收集得到Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子,并用去離子水反復(fù)洗滌干凈,再在35 ℃的真空干燥箱中烘干。

        1.4? ?Fe3O4@mSiO2磁性納米復(fù)合材料的表征

        用乙醇稀釋制備品,并將其分散液滴到涂碳銅網(wǎng)上;揮發(fā)干后,制成電鏡樣品;使用透射電子顯微鏡(TEM)對其形貌進行表征。使用X射線衍射儀(XRD)對制備的Fe3O4@mSiO2磁性納米復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)進行分析。使用Vector-22型傅立葉紅外光譜儀分析Fe3O4@mSiO2的表面包覆情況,具體操作為:取適量粉末狀樣品采用KBr壓片法制樣;光譜掃描范圍4 000 ~500 cm -1;分辨率4 cm-1;掃描次數(shù)32次。

        1.5? Fe3O4@mSiO2磁性納米復(fù)合材料對Fe3+的吸附實驗

        稱取一定量的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子,加入100 mL濃度為10 mg/L的 Fe3+溶液中;將溶液pH值調(diào)節(jié)為4后,放入氣浴恒溫振蕩器中震蕩;震蕩完畢后取出,在外加磁場的作用下使吸附劑沉淀;之后,吸取10 mL上清液放入50 mL的比色管中,分別加入4 mL高碘酸鉀溶液和過硫酸鉀溶液,用去離子水定容至50 mL,并在95 ℃的恒溫水浴中顯色15 min;取出比色管,用流水沖洗使其冷卻降溫后,用紫外分光光度計測其吸光度,并對照標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算Fe3+的剩余量以及吸附量。

        2? ? 實驗結(jié)果與討論

        2.1? 形貌分析

        圖1是Fe3O4磁流體的TEM圖。從圖可見,所制得的Fe3O4磁流體納米顆粒具有良好的分散性、分布均勻,粒徑大小在10 nm左右。圖2為Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子的TEM圖。圖中明顯可見,介孔二氧化硅包覆Fe3O4后,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子的粒徑大于Fe3O4磁流體粒徑,其整體形狀類似于球型,分布較為均勻,且包覆層的介孔結(jié)構(gòu)清晰可見。經(jīng)Nano Measurer分析得知,包覆層平均厚度為21.0 nm;經(jīng)BET表征得知,平均孔徑為3.3 nm。

        2.2? 粒徑分析

        圖3為Fe3O4@mSiO2磁性納米材料的粒徑分布圖。由圖可知,樣品的粒徑分布在40~85 nm之間,且在45~65 nm處最為集中,粒徑為60 nm的粒子占比最大。經(jīng)高斯擬合可得,磁性納米粒子的平均粒徑為58.33 nm。

        2.3? 晶相分析

        圖4為Fe3O4磁流體和Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子復(fù)合材料的X射線衍射圖(XRD)。從圖中可以看出:位于30.0[°],35.8[°],57.4[°]和63.1[°]處的衍射峰分別對應(yīng)于Fe3O4納米粒子立方晶系的(220),(311),(422)以及(511)晶面(JCPDS no. 19-0629);對比發(fā)現(xiàn),F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子比Fe3O4磁流體少了幾個較弱的特征峰,但是主峰仍然存在??赡苡捎跓o定型二氧化硅強烈頻帶的原因,在衍射角2θ為24.3[°]處有一個較為寬泛的衍射峰。

        2.4? ?紅外分析

        通過FT-IR對納米顆粒的結(jié)構(gòu)進行表征,如圖5所示:3 400 cm-1處的信號峰為-OH的伸縮振動峰,580 cm-1處的信號峰為Fe3O4的Fe-O特征振動峰;對比Fe3O4和Fe3O4@mSiO2的譜圖可見,1 629 cm-1和1 404 cm-1處的吸收峰是由油酸中的-C=O及-C-O鍵的伸縮振動引起的,在1 089 cm-1及802 cm-1處的特征吸收峰為mSiO2的Si-O-Si及Si-O鍵的典型伸縮振動峰[16],從而證實了mSiO2已成功包覆到了Fe3O4納米粒子的表面。

        2.5? ?磁響應(yīng)性分析

        將制得的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子放入試樣瓶中,如圖6(a)所示??梢姡跊]有任何外部磁性材料的影響下,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子在水中分散良好。將試樣瓶放在一塊磁鐵上,如圖6(b)所示,靜置1min后,觀察到試樣瓶中的磁性材料被全部吸附到瓶底,上層溶液則變得清澈。由此可見,制備的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子具有良好的磁響應(yīng)性能。

        2.6? ?Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的吸附性能研究

        2.6.1? ?Fe3+溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

        稱取5.14 g FeCl3?6H2O放入燒杯,加蒸餾水溶解,制成200 mL濃度為0.1 mol/L的Fe3+溶液。分別移取配制好的Fe3+溶液0.02 mL、0.04 mL、0.08 mL、0.16 mL和0.32 mL于容量瓶中,用蒸餾水定容至50 mL。隨后,分別移取五只容量瓶中已定容完成的Fe3+溶液至比色皿中,測定他們的吸光度,并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(見圖7)。其中,溶液濃度為X軸,吸光度為Y軸。由圖7可以看出,溶液濃度在11~172 mg/L時,F(xiàn)e3+濃度與吸光度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系:y=0.037 97x-0.353 73。

        2.6.2? 不同反應(yīng)時間對吸附性能的影響

        制備濃度為27.05 mg/mL的Fe3+模擬液。用移液槍移取0.08 mL的模擬液并稀釋至50 mL;取25 mL稀釋后的溶液于試樣瓶中,準(zhǔn)確稱取25 mg的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子加入該試樣瓶;再分別加入4 mL的高碘酸鉀溶液和過硫酸鉀溶液;然后,將試樣瓶放入氣浴恒溫振蕩器中反應(yīng)。在設(shè)定的時間段內(nèi)取出試樣瓶,并放在一塊磁鐵上使磁性材料沉降;待沉降完全后,吸取上層清液測量吸光度;計算吸附容量Q,Q=Fe3+被吸附的質(zhì)量(mg)/吸附劑的質(zhì)量(g)。不同吸附時間Fe3+的吸附容量見圖8。

        從圖8可以看出:在反應(yīng)時間為20~40 min時,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的吸附效果很差;當(dāng)反應(yīng)時間在40~160 min時,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對溶液中Fe3+的吸附量呈現(xiàn)出先急后緩的增長趨勢,表明在該時段內(nèi),F(xiàn)e3+的吸附量隨著時間的增加而增加;當(dāng)吸附時間為180 min時,吸附量出現(xiàn)下降,可能存在部分物理吸附的Fe3+發(fā)生了解析。

        2.6.3? 不同溶液濃度對吸附性能的影響

        分別移取0.02 mL、0.04 mL、0.08 mL、0.16 mL濃度為27.05 mg/mL的Fe3+溶液至容量瓶中,并定容至50 mL;移取25 mL的Fe3+溶液至試樣瓶中,再稱取5 mg的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子加入試樣瓶;將試樣瓶放入氣浴恒溫振蕩器,在25 ℃、250 r/min的條件下反應(yīng)60 min;反應(yīng)完成后,將試劑瓶取出并放在磁鐵上使磁性材料沉降;移取上層清液于比色皿中,在波長420 nm處測量溶液的吸光度;計算各濃度下Fe3+的吸附容量Q,Q=被吸附的Fe3+的質(zhì)量(mg)/吸附劑的質(zhì)量(g)。不同溶液濃度下Fe3+的吸附容量見表1。

        從表1可以看出:在溶液濃度為11~43 mg/L時,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的吸附性能最強,且其吸附性能隨著溶液濃度的增大而增加;但當(dāng)溶液濃度超過43 mg/L后,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+吸附量的增幅明顯減少;當(dāng)溶液濃度達到87 mg/L時,其吸附量的增加微乎其微。由此可見,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+有較好的吸附能力,但是當(dāng)吸附劑質(zhì)量不變,而液體中的Fe3+達到一定濃度時,其吸附能力會相對減弱。

        2.6.4? 吸附劑的量對吸附性能的影響

        分別取3 mg、6 mg、9 mg、12 mg的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子和0.08 mL的Fe3+溶液于50 mL的容量瓶中定容;量取25 mL定容完成的溶液至試樣瓶中,將試樣瓶放入氣浴恒溫振蕩器反應(yīng)60 min后放到強性磁鐵上;等磁性材料完全沉降后,吸取上層清液于比色皿中;用紫外分光光度計在波長420 nm處測量溶液的吸光度;通過吸光度計算出吸附容量Q,Q=被吸附的Fe3+的質(zhì)量(mg)/吸附劑的質(zhì)量(g)。不同量的吸附劑,其Fe3+吸附性能情況見表2。

        由表2可見:在Fe3+溶液濃度不變的情況下,F(xiàn)e3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的吸附效率隨著其加入量的增加而升高;當(dāng)Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子加入量由3 mg增加至18 mg時,其對Fe3+的吸附效率也由19.23%提升至33.95%。

        3? ? 結(jié)論

        本文采用化學(xué)共沉淀法制備了Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子復(fù)合材料用于Fe3+的吸附,經(jīng)研究得出如下結(jié)論:

        (1)所制得的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子形貌規(guī)整,粒度均勻,其包覆層平均厚度為21.0 nm,平均孔徑為3.3 nm,且具有良好的磁響應(yīng)性能。

        (2)對Fe3+的吸附性能研究結(jié)果表明:Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子復(fù)合材料對Fe3+具有良好的吸附效果,在吸附時間為180 min,F(xiàn)e3+初始溶度為43 mg/L,投加5 mg的Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子,吸附效果達到最佳。這是由于Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的吸附屬于范德華力作用的物理吸附,存在吸附及解吸的雙重作用。

        (3)研究的不足及展望。Fe3O4@mSiO2磁性納米粒子對Fe3+的循環(huán)吸附效果,及其在Fe3+廢水治理中的實際應(yīng)用,還需進一步深入研究。

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        責(zé)任編輯? ? 王繼國

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