一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用，所述磁性纳米复合材料是首先由二氧化硅包覆四氧化三铁得到Fe

Magnetic nano composite material, preparation method and application thereof

The invention discloses a magnetic nano composite material, a preparation method and an application thereof, wherein the magnetic nanocomposite material is firstly coated with silicon dioxide to obtain Fe

【技术实现步骤摘要】
一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用，属于纳米材料

技术介绍
在科技快速发展和人们生活质量提高的同时，环境污染问题也越演越烈，其中水污染尤为严重。而水质的好坏密切影响着人们的身体健康状况。现有的污水处理技术有离子交换法、膜过滤法、电化学法、光催化降解法、生物降解法、吸附法。其中吸附法因其效率高、操作简单、价格低廉等优点成为污水处理中最常用的方法之一。但吸附法目前还存在吸附容量低、回收困难、选择性差、二次污染严重等缺点，这严重限制了其进一步应用，而解决这些问题的关键就是开发性能优良的吸附剂。壳聚糖是一种环境友好型的天然高分子聚合物，具有良好的成膜性、生物相容性、生物降解性，还具有优良的吸附性能，可有效地提高吸附剂的吸附能力和分离性能。石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有极大的比表面积，具有较大的吸附容量和吸附性能。因此，目前以壳聚糖和石墨烯做吸附剂进行污水处理的技术，已有广泛而深入的研究。中国专利“CN201310434322.2一种石墨烯/壳聚糖吸附树脂的制备方法”、“CN201510858159.1一种氧化石墨烯/壳聚糖微球及其制备方法”、“CN201610174840.9氧化石墨烯/壳聚糖多孔复合微球及其制备方法和应用”等都报道了石墨烯/壳聚糖吸附剂在污水处理中的应用。近年来，磁分离技术已被应用到水处理行业中，它是借助磁场力的作用，对不同磁性的物质进行分离的一种技术。中国专利“CN201510513108.5一种锌铁氧体@壳聚糖/氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用”、“CN201610310180.2一种氧化石墨烯与磁性壳聚糖复合物的制备方法及其应用”等报道了采用磁性物质将壳聚糖磁化，制备磁性壳聚糖，然后以磁性壳聚糖为基体，将石墨烯共价结合到磁性壳聚糖表面，制备出石墨烯/壳聚糖磁性吸附剂用于污水处理。造成水体污染的因素很多，其中重金属废水的排放和有机染料废水的排放是造成目前水体污染的两大主要因素，而目前的石墨烯/壳聚糖吸附剂作用种类比较单一，通常仅能有效吸附其中一类的污染物，并且目前的石墨烯/壳聚糖磁性吸附剂其磁性较低，对金属离子尤其是重金属离子的吸附性能较低，目前还没有能同时有效处理金属废水和染料废水的石墨烯/壳聚糖类吸附剂的相关报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种磁性纳米复合材料及其制备方法和应用，以扩大磁性纳米复合材料的种类和应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种磁性纳米复合材料，是首先由二氧化硅包覆四氧化三铁得到Fe3O4@SiO2磁性纳米微球，然后在Fe3O4@SiO2磁性纳米微球表面依次层层包覆壳聚糖(简称CS)、三乙烯四胺(简称TETA)、氧化石墨烯(简称GO)得到，简记为：Fe3O4@SiO2@CS-TETA-GO。一种制备本专利技术所述的磁性纳米复合材料的方法，包括如下步骤：a)采用溶剂热法制备四氧化三铁纳米微球；b)采用法在四氧化三铁纳米微球表面包覆二氧化硅，得到核壳结构的Fe3O4@SiO2磁性纳米微球；c)采用硅烷偶联剂和一氯乙酸对Fe3O4@SiO2磁性纳米微球表面进行羧基化改性，得到Fe3O4@SiO2-COOH复合材料，然后采用戊二醛交联法将壳聚糖交联在Fe3O4@SiO2-COOH复合材料表面，得到壳聚糖包覆Fe3O4@SiO2的复合材料，简记为：Fe3O4@SiO2@CS；d)采用表氯醇(即环氧氯丙烷)对Fe3O4@SiO2@CS进行改性处理，然后接枝三乙烯四胺，得到三乙烯四胺包覆Fe3O4@SiO2@CS的复合材料，简记为：Fe3O4@SiO2@CS-TETA；e)通过酰胺化反应，将Fe3O4@SiO2@CS-TETA接枝到氧化石墨烯表面，得到氧化石墨烯包覆Fe3O4@SiO2@CS-TETA的复合材料，即得到所述的磁性纳米复合材料Fe3O4@SiO2@CS-TETA-GO。作为优选方案，所述步骤a)包括如下操作：将六水合三氯化铁，二水合柠檬酸三钠和醋酸钠分散于乙二醇中，搅拌均匀后转移至反应釜中，然后在150～300℃下保温反应7～15小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得到所述的四氧化三铁纳米微球。作为进一步优选方案，六水合三氯化铁：二水合柠檬酸三钠：醋酸钠的质量比为(1～5)：(0.7～1)：(4～5)。作为进一步优选方案，1～5g三氯化铁使用60～80mL乙二醇。作为优选方案，所述步骤b)包括如下操作：将制得的四氧化三铁纳米微球分散于醇水混合液中，超声均匀后加入氨水，然后搅拌下滴加硅酸四乙酯的醇溶液，然后在室温下反应10～18小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得到所述的Fe3O4@SiO2磁性纳米微球。作为进一步优选方案，所用醇溶剂为乙醇。作为进一步优选方案，醇水混合液中，醇溶剂与水的体积比为(80～100)：(1～10)。作为进一步优选方案，硅酸四乙酯的醇溶液中，硅酸四乙酯与醇溶剂的体积比为1:10～1:20。作为进一步优选方案，100～120mg四氧化三铁需要使用1～8mL氨水和100～500μL硅酸四乙酯。作为优选方案，所述步骤c)中的羧基化改性包括如下操作：将制得的Fe3O4@SiO2磁性纳米微球分散于醇水混合液中，超声均匀后加入硅烷偶联剂APTES(化学名称为氨丙基三乙氧基硅烷)，然后在45～55℃下保温反应7～15小时，结束反应，固液分离，分离出的固体洗涤后重新分散于一氯乙酸的醇溶液中，调节反应溶液的pH值至7.5～8.5，再在75～85℃下反应7～15小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得到所述的Fe3O4@SiO2-COOH复合材料。作为进一步优选方案，150～300mgFe3O4@SiO2磁性纳米微球需要使用1～3mLAPTES和5～15mL一氯乙酸。作为进一步优选方案，醇溶剂为乙醇；醇水混合液中醇溶剂与水的体积比为30:1～50:1；一氯乙酸的醇溶液中醇溶剂与一氯乙酸的体积比为5:1～1:1。作为优选方案，所述步骤c)中的戊二醛交联法包括如下操作：将壳聚糖溶解于2～8wt％乙酸溶液中，然后加入Fe3O4@SiO2-COOH复合材料，在室温下反应7～15小时，结束反应，磁分离，分离出的固体重新分散于2～8wt％乙酸溶液中，加入25wt％戊二醛，于30～70℃下搅拌反应3～5小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得到所述的Fe3O4@SiO2@CS。作为进一步优选方案，80～150mg壳聚糖溶解于10～20mL乙酸溶液中。作为进一步优选方案，5～15mgFe3O4@SiO2-COOH复合材料需要使用80～150mg壳聚糖和0.1～1mL戊二醛。作为优选方案，所述步骤d)包括如下操作：将Fe3O4@SiO2@CS分散于异丙醇，于35～45℃下搅拌0.5～1.5小时，然后加入表氯醇，保温反应7～15小时，结束反应，磁分离，分离出的固体洗涤后重新分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在45～60℃下搅拌反应0.5～1.5小时，然后加入三亚乙基四胺，保温反应3～5小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得到所述的Fe3O4@SiO2@CS-TETA本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性纳米复合材料，其特征在于：是首先由二氧化硅包覆四氧化三铁得到Fe

【技术特征摘要】
1.一种磁性纳米复合材料，其特征在于：是首先由二氧化硅包覆四氧化三铁得到Fe3O4@SiO2磁性纳米微球，然后在Fe3O4@SiO2磁性纳米微球表面依次层层包覆壳聚糖、三乙烯四胺、氧化石墨烯得到，简记为：Fe3O4@SiO2@CS-TETA-GO。2.一种制备权利要求1所述的磁性纳米复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：a)采用溶剂热法制备四氧化三铁纳米微球；b)采用法在四氧化三铁纳米微球表面包覆二氧化硅，得到核壳结构的Fe3O4@SiO2磁性纳米微球；c)采用硅烷偶联剂和一氯乙酸对Fe3O4@SiO2磁性纳米微球表面进行羧基化改性，得到Fe3O4@SiO2-COOH复合材料，然后采用戊二醛交联法将壳聚糖交联在Fe3O4@SiO2-COOH复合材料表面，得到壳聚糖包覆Fe3O4@SiO2的复合材料，简记为：Fe3O4@SiO2@CS；d)采用表氯醇对Fe3O4@SiO2@CS进行改性处理，然后接枝三乙烯四胺，得到三乙烯四胺包覆Fe3O4@SiO2@CS的复合材料，简记为：Fe3O4@SiO2@CS-TETA；e)通过酰胺化反应，将Fe3O4@SiO2@CS-TETA接枝到氧化石墨烯表面，得到氧化石墨烯包覆Fe3O4@SiO2@CS-TETA的复合材料，即得到所述的磁性纳米复合材料Fe3O4@SiO2@CS-TETA-GO。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤a)包括如下操作：将六水合三氯化铁、二水合柠檬酸三钠和醋酸钠分散于乙二醇中，搅拌均匀后转移至反应釜中，然后在150～300℃下保温反应7～15小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得所述的四氧化三铁纳米微球。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括如下操作：将制得的四氧化三铁纳米微球分散于醇水混合液中，超声均匀后加入氨水，然后搅拌下滴加硅酸四乙酯的醇溶液，然后在室温下反应10～18小时，结束反应，磁分离，对收集的固体进行洗涤、干燥，即得所述的Fe3O4@SiO2磁性纳米微球。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤c)中的羧基化改性包...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帆，张丽娟，陆杰，樊学学，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31