铁掺杂二氧化锰微纳结构材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料及其制备方法与应用，该材料由多个微纳结构空心球组成；每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成；所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，并且Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100。该材料采用一步简单的共沉淀法制备而成，能够对水体中磷进行快速、高效和选择性去除，而且很容易从水体中分离回收，不会造成次生污染，原料廉价易得。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水体处理
，尤其涉及一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料及其制备方法与应用
技术介绍
磷是生物体生命活动必需的一种元素，在自然界中广泛存在。水体中的磷主要以HPO42-和H2PO4-形式存在，十分容易被生物体吸收利用，它是水体富营养化的主要因素之一。生活污水、工业废水以及农业上使用的化肥农药中都富含大量的氮和磷，当这些物质排入湖泊、河流、海洋等水体时，水体中的藻类会疯长，并释放大量藻毒素，水体中的溶氧量会大大降低，从而会导致鱼虾等水生生物绝迹，水质恶化，这不仅会对生态环境造成严重危害，而且会严重影响人类的身心健康，因此如何控制水体中磷的含量并提升水质已成为亟待解决的关键问题。目前，去除水体中磷元素的方法主要有化学沉淀法、生物法、吸附法、离子交换法、电渗析法、吸附法等。与其他方法相比，吸附法具有设计简单、操作容易、对有毒污染物不敏感，不会引入新污染物等优点，不仅能够克服化学沉淀法中化学药品高耗费的缺点，而且能够解决磷回收困难以及生物法基建投入大等问题，因此吸附法被认为是高效且比较经济的水处理方式，也是最为常见的水体修复及污水处理方法之一。但在现有技术中，吸附法所使用的吸附剂对磷元素的吸附能力较弱、除磷速度较慢、原料成本仍然较高，而且吸附剂本身大多不容易从水体中分离，会造成一定程度的次生污染。
技术实现思路
为了解决现有吸附剂对磷元素的吸附能力较弱、除磷速度较慢、原料成本仍然较高，而且吸附剂本身大多不容易从水体中分离，会造成一定程度的次生污染的技术问题，本专利技术提供了一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料及其制备方法与应用，该铁掺杂二氧化锰微纳结构材料能够对水体中磷进行快速、高效和选择性去除，而且很容易从水体中分离回收，不会造成次生污染，原料廉价易得。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，由多个微纳结构空心球组成；每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成；所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，并且Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100。优选地，所述微纳结构空心球的直径为0.8～1.5μm。优选地，随着Fe与Mn的摩尔比中Fe所占比例的增加，所述微纳结构空心球的内部空腔体积随之增大。一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的制备方法，包括：按照MnCl2:(NH4)2S2O8＝1:1～1.5的摩尔比，将MnCl2和(NH4)2S2O8溶于去离子水中，并搅拌均匀，然后加入FeSO4，使Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100，并搅拌均匀，再置于60～80℃的水浴环境中反应4～6小时，随后进行离心处理，并对离心处理后的固体进行洗涤和干燥，从而即制得上述权利要求1至3中任一项所述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料。优选地，所述的对离心处理后的固体进行洗涤和干燥包括：依次采用去离子水与乙醇对离心处理后的固体进行多次清洗，再置于40℃的真空干燥箱中烘干。优选地，随着Fe与Mn的摩尔比中Fe所占比例的增加，铁掺杂二氧化锰微纳米片厚度随之减小。一种上述技术方案中所述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的应用，所述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料应用于吸附水体中的磷。优选地，在使用所述铁掺杂二氧化锰微纳结构材料吸附水体中的磷时，每升水体使用0.5克所述铁掺杂二氧化锰微纳结构材料。优选地，在使用所述铁掺杂二氧化锰微纳结构材料吸附水体中的磷时，控制水体的pH值为7，吸附时间为24小时。优选地，随着所述铁掺杂二氧化锰微纳结构材料中Fe所占比例的增加，该铁掺杂二氧化锰微纳结构材料对水体中磷的吸附效果随之增强。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术所提供的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料由多个微纳结构空心球组成，并且每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成，而所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁离子均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，随着Fe与Mn的摩尔比(即1～4.5:100)中Fe所占比例的增加，微纳结构空心球的内部空腔体积随之增大，铁掺杂二氧化锰纳米片的厚度随之减小，该材料的比表面积随之增大，从而对水体中磷的吸附效果随之增强。该铁掺杂二氧化锰微纳结构材料能够对水体中磷进行快速、高效和选择性去除，而且很容易从水体中分离回收，不会造成次生污染，原料廉价易得，制备工艺简单，设备简易。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的X射线衍射图谱。图3为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的透射电镜照片及元素分布图。图4为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料对磷酸盐的吸附动力学效果示意图。图5为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料对不同浓度磷酸盐的吸附效果示意图。图6为本专利技术实施例1所制得的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料在不同阴离子干扰条件下对磷酸盐的吸附效果示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。下面对本专利技术提供的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料及其制备方法与应用详细描述。(一)一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，由多个微纳结构空心球组成；每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成；所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁离子均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，并且Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100。具体地，所述微纳结构空心球是直径为0.8～1.5μm的空心球。随着Fe与Mn的摩尔比中Fe所占比例的变化，铁掺杂二氧化锰微纳米片的厚度也随之改变，例如：当Fe与Mn的摩尔比为2:9时，铁掺杂二氧化锰微纳米片的厚度为2～5nm；当Fe与Mn的摩尔比为1:45时，铁掺杂二氧化锰微纳米片的厚度为10～15nm、当Fe与Mn的摩尔比为1:100时，铁掺杂二氧化锰微纳米片的厚度为20～30nm；也就是说，随着Fe与Mn的摩尔比中Fe所占比例的增加，铁掺杂二氧化锰微纳米片的厚度随之减小，而所述微纳结构空心球的内部空腔体积随之增大。(二)一种上述铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的制备方法一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的制备方法，该制备方法为一步简单的共沉淀法，其具体步骤可以包括：按照MnCl2:(NH4)2S2O8＝1:1～1.5的摩尔比，将MnCl2和(NH4)2S2O8溶于去离子水中，并搅拌均匀，然后加入FeSO4，Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100，并搅拌均匀，再置于60～80℃的水浴环境中反应4～6小时，随后进行离心处理，并对离心处理后的固体进行洗涤和干燥，从而即可制得上述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料。具体地，所述的对离心处理后的固体进行洗涤和干燥可以包括：依次采用去离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，其特征在于，由多个微纳结构空心球组成；每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成；所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，并且Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100。

【技术特征摘要】
1.一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，其特征在于，由多个微纳结构空心球组成；每个微纳结构空心球均是由多个铁掺杂二氧化锰纳米片交织而成；所述铁掺杂二氧化锰微纳米片的晶体结构为铁均匀掺杂在二氧化锰的晶格中，并且Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100。2.根据权利要求1所述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，其特征在于，所述微纳结构空心球的直径为0.8～1.5μm。3.根据权利要求1或2所述的铁掺杂二氧化锰微纳结构材料，其特征在于，随着Fe与Mn的摩尔比中Fe所占比例的增加，所述微纳结构空心球的内部空腔体积随之增大。4.一种铁掺杂二氧化锰微纳结构材料的制备方法，其特征在于，包括：按照MnCl2:(NH4)2S2O8＝1:1～1.5的摩尔比，将MnCl2和(NH4)2S2O8溶于去离子水中，并搅拌均匀，然后加入FeSO4，使Fe与Mn的摩尔比为1～4.5:100，并搅拌均匀，再置于60～80℃的水浴环境中反应4～6小时，随后进行离心处理，并对离心处理后的固体进行洗涤和干燥，从而即制得上述权利要求1至3中任一项所述的铁掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云霞，葛骁，周宏建，汪国忠，张海民，赵惠军，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34