一种用于污水净化的磁性互联碳纳米洋葱的制备方法技术

本发明专利技术提出了一种磁性互联碳纳米洋葱结构的制备方法。该方法包括利用热分解法制备单分散且尺寸均一的表面带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒，再将纳米颗粒进行高温碳化使其表面的有机配体转化为石墨层并通过共价键形成颗粒之间彼此的互联，从而获得该碳包覆Fe3O4的复合结构。该复合结构具有高比表面积，展现出对亚甲基蓝染料良好的吸附性能，并且由于石墨层仅为薄层包覆，不影响Fe3O4内核良好的铁磁性，利于通过磁场将吸附染料的复合结构从水中分离，从而达到污水净化的效果。本发明专利技术制备的包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱具有制备过程简单和易于大量生产等特点，并且石墨层可以保护Fe3O4纳米颗粒免受腐蚀、氧化和团聚，展现出应用于废水处理的良好的潜能。用于废水处理的良好的潜能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于污水净化的磁性互联碳纳米洋葱的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的制备方法和对污水净化应用。

技术介绍

[0002]染料广泛应用于纺织、造纸、皮革、印刷等众多行业。然而随着生产、运输和消耗的过程，染料排入水体造成染料污染，可能会导致环境污染和人体健康问题，因为它们在天然水系统中几乎不降解。因此，有效净化含染料的工业废水对于环保和生态系统的健康具有重要意义。
[0003]迄今为止，多种方法已被用于去除废水中的有机染料，包括絮凝，吸附，氧化和生物降解。然而絮凝，氧化和生物降解这些常规的物理、化学和生物处理方法由于其不稳定性而无法有效去除有机染料。吸附法由于其效率高、成本低、稳定性优异、操作简单并且不需任何额外的试剂和设备等因素，被认为是最有效和最常用的工业废水中染料的处理方法。常用的吸附剂有活性炭、膨润土和壳聚糖。这些吸附剂具有功能性表面或具有高比表面积，并表现出优异的净化污水的能力。但是，由于这类没有磁性的吸附剂吸附水中污染物后难以从溶液中分离回收，一般采用离心或过滤等方法将其从水溶液中分离，这些分离方法耗能大，分离效率低，而且在分离过程中使吸附剂大量损失，分离后的吸附剂再生性能差。磁性吸附剂是将普通吸附剂与磁性材料复合。通过外加磁场便可将磁性吸附剂从废水中分离出来。与传统的吸附剂分离技术相比，磁分离技术的使用可有益于从污水中分离出使用过的含有高含量染料的吸附剂，比传统的过滤、离心等分离方法更加操作简单、省时快捷，使材料的回收性研究变得更加容易。目前在磁性吸附剂中使用的磁性材料主要由铁、钴、镍这类纯金属、金属合金或金属氧化物组成，用于净化污水时，考虑到无毒性与经济上的可行性，Fe3O4纳米颗粒被认为是用于合成磁性吸附剂最好的选择的。
[0004]Fe3O4纳米颗粒由于拥有铁磁性、化学稳定性和生物相容性等特点，在磁性吸附剂的制备中发挥着重要作用。碳材由于其广泛的可用性，出色的水过滤能力和高比表面积而被证明是最有效和可靠的吸附剂之一，将碳材料与Fe3O4纳米颗粒结合到一起，可以提高碳吸附剂的吸附效率。几种方法将碳材料和Fe3O4纳米颗粒结合在一起以生产磁性复合材料，例如浸渍、球磨和化学共沉淀，但这些方法会导致部分Fe3O4纳米颗粒暴露在碳材料表面，这会导致：(1)暴露的Fe3O4纳米颗粒在酸性环境或液体中易受腐蚀，不稳定；(2)部分Fe3O4纳米颗粒与碳材料材料表面结合力不强，易于脱落，从未影响吸附剂的循环利用；(3)由于弱界面结合和碳材料占比高，Fe3O4纳米颗粒在磁场下带动碳材料的移动速度较慢，分离效率低。因此，需要开发一种具有高比表面积、Fe3O4纳米颗粒与碳材料结合较好且稳定存在，整体在磁场环境下易于与水体进行分离的高效的吸附剂进行污水处理应用。本专利技术提出了一种替代策略是用碳材料有效包覆Fe3O4纳米颗粒，不仅可以保护Fe3O4纳米颗粒不被腐蚀、氧化和团聚，而且可以降低成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的制备技术。利用热分解法制备单分散且尺寸均一的表面带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒，再将纳米颗粒进行高温碳化使其表面的有机配体转化为薄层石墨层，从而获得该碳包覆Fe3O4的复合结构。该复合结构具有高比表面积，展现出对亚甲基蓝染料良好的吸附性能，并且由于石墨层仅为薄层包覆，不影响Fe3O4内核良好的铁磁性，利于通过磁场将吸附染料的复合结构从水中分离，从而达到污水净化的效果。
[0006]本专利技术的技术方案如下文所示：
[0007]1)首先按照化学计量比称取金属前驱体；然后将金属前驱体与一定量的有表面活性剂和有机溶剂混合，进行加热，当温度升到某一恒温保持一定时间，使其进行热分解反应。
[0008]在所述步骤1)中，金属前驱体为乙酰丙酮铁、油酸铁和氧化铁中的一种或多种；表面活性剂包括但不限于油酸、油胺等长链酸、长链有机胺等，以及CTAB等常用表面活性剂；常用的溶剂包括但不限于二苄醚、辛醚或者1
‑
十八烯等高沸点有机溶剂。
[0009]在所述步骤1)中，表面活性剂与金属前驱体的质量比为6∶1
‑
8∶1。
[0010]在所述步骤1)中，初始温度为200
‑
240℃，保温时间不少于0.5小时。
[0011]在所述步骤1)中，升温至恒定温度为300
‑
320℃，保温时间不少于0.5小时。
[0012]2)热分解反应完成后，使用有机溶液清洗，离心分离，得到带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒。
[0013]在所述步骤2)中，所述有机溶液包括但不限于乙醇、正己烷或甲苯。
[0014]在所述步骤2)中，所述离心的转速为10000
‑
12000rpm，时间为5
‑
15min。
[0015]3)然后表面带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒进行碳化，得到所述包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱。
[0016]在所述步骤3)中，碳化条件为：碳化条件为：惰性气氛保护下，在450
‑
550℃碳化30
‑
90min。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018]本专利技术制备的包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱，独特的包覆结构不仅提供了大量的活性位点，而且保护了Fe3O4纳米颗粒免受腐蚀、氧化和团聚，提高了复合材料的稳定性。Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱对亚甲基蓝最大的吸附容量可达到72.55mg g
‑1，吸附之后可通过外加磁铁实现快速分离，在7次再生循环后仍保持其较佳的吸附性能。
附图说明
[0019]图1是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的制备流程图；
[0020]图2为实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的TEM图；
[0021]图3是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱N2吸附及孔径分布图；
[0022]图4a是实施例1中用紫外分光光度计对包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱进行测定不同处理时间点的亚甲基蓝的吸收光谱变化情况；
[0023]图4b是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的磁分离图；
[0024]图5a是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱与亚甲基蓝接触时间对不同浓
度吸附量的影响；
[0025]图5b是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱对亚甲基蓝的吸附等温线；
[0026]图5c是实施例1中包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱在7个循环中对亚甲基蓝的吸附能力。
具体实施方式
[0027]下面结合实施例对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件或按照制造厂所建议的实验条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于污水净化的包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先按照化学计量比称取金属前驱体；然后将金属前驱体与一定量的有表面活性剂和有机溶剂混合，进行加热，当温度升到某一恒温保持一定时间，使其进行热分解反应。2)热分解反应完成后，使用有机溶液清洗，离心分离，得到带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒。3)然后将带有有机配体的Fe3O4纳米颗粒进行碳化，得到所述包覆Fe3O4的互联薄层碳纳米洋葱。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，金属前驱体选自乙酰丙酮铁、油酸铁和氧化铁中的一种或多种；表面活性剂的种类不限，常用的表面活性剂包括但不限于油酸、油胺等长链酸、长链有机胺等，以及CTAB等常用表面活性剂；有机溶剂的种类不限，常用的溶剂包括但不限于二苄醚、辛醚或者1
‑
十八烯等高沸点有机溶剂。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，以0.356g金属前驱体的质量计，表面活性剂的用量为2
‑
3ml，有机溶剂的质量为5
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志好，肖敏，张晨光，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：