废水处理用磁性纳米吸附剂的规模化连续可控制备方法研究

发布时间：2020-04-06 16:25

【摘要】：超顺磁性纳米颗粒已被广泛应用于废水处理、生物分离、检测、磁共振成像、靶向治疗等领域。易于快速回收和可重复利用的磁性纳米吸附剂是近年来废水处理领域的一个研究热点,尽管在其种类和实验室制备方法上已取得很多的进展,但其制备过程存在难以连续和放大的难题,这成为了其规模化应用的瓶颈。基于磁性纳米吸附剂的分离过程与制备过程相耦合的新思路,本文提出利用易于规模化的气助磁分离技术来可控连续捕获溶液中生成的磁性纳米吸附剂,以此调控磁性纳米吸附剂的成核生长过程,进而实现对磁性纳米吸附剂的可控和规模化连续制备。(1)首先设计并搭建了连续合成装置,考察了合成过程关键参数温度、氮气流速、NaOH浓度对Fe_3O_4粒径大小的影响,并且对获得的样品进行FT-IR、XRD、TEM和VSM表征,进一步在小型中试规模上进行了制备和吸附性能测试。结果表明:所设计的连续合成装置能成功制备拥有超顺磁性的纳米颗粒,通过调控温度和氮气流速等参数可定制合成粒径在2～10 nm、饱和磁化强度为40～65 emu/g的磁性纳米颗粒;且新方法与传统间歇方法所制备的磁性纳米颗粒的吸附性能一样,该方法经小型中试放大到0.573 kg/h规模仍证明可行,且粒径同样可控。(2)功能化磁性纳米颗粒制备过程存在两步、间歇且难以放大的难题,为进一步探讨新方法一步连续制备功能化磁性纳米颗粒的可行性,开展了其小型中试规模一步连续制备过程研究。以制备海藻酸钠修饰的磁性纳米吸附剂为模型,考察了温度、氮气流速、进料流量、海藻酸钠添加量、Fe原料液浓度对Fe_3O_4/海藻酸钠制备过程的影响,明确了各参数对合成过程的影响规律和调节区间。对所得产品进行TEM、FT-IR、XRD、VSM、TGA表征分析,最后进行刚果红的吸附实验。结果显示:所提出的新方法能成功一步连续可控制备出粒径在6～9 nm、饱和磁化强度为35～45 emu/g的超顺磁性Fe_3O_4/海藻酸钠纳米吸附剂,其规模达到了0.491 kg/h,与间歇两步法相比,制备出性能相当磁性吸附剂所需时间,工序更短。该方法被进一步地证实可成功用于一步连续制备壳聚糖和腐植酸钠修饰的磁性纳米颗粒,产量分别可达0.315 kg/h和0.430 kg/h,验证了其通用性和高效性。
【图文】：

流程图,超顺磁性,制备流程,纳米颗粒

.2.2 超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒的传统制备方法参照文献[89]中共沉淀法制备超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒：用分析天平准确称.976 g FeCl2·4H2O 和 10.812 g FeCl3·6H2O 溶解于盛有 200 ml 去离子水的 500口烧瓶中，将三口烧瓶置于电热恒温水浴锅中，搅拌溶解，并不断向混合溶通入氮气，待温度升高到 85 ℃时将搅拌速度调为高速（600 rpm），然后将 25 ml 浓氨水（25% wt）倾入溶液中，持续通氮下反应 30 min，反应结束混合溶液冷却至室温。所获产品经外部磁铁分离，用去离子水充分洗涤几次未反应的氨水和无机离子，最后用去离子水稀释配成一定浓度的磁性纳米颗液备用。传统的制备过程流程图如图 2.1 所示。

示意图,连续制,合成过程,原理

传统的制备过程流程图如图 2.1 所示。图 2.1 超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒传统间歇制备流程图2.2.3 超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒的连续制备装置及原理本实验，Fe3O4纳米颗粒的制备方法是共沉淀法。FeCl2·4H2O 和 FeCl3·6H2O的混合溶液为原料液，NaOH 为沉淀剂。化学反应式为：（≥）（≤）（形成共沉淀）FeOOH+FeFeO+HpH9.2Fe(OH)+Fe(OH)FeOOH+FeOpH7.5Fe+Fe+OHFe(OH)/Fe(OH)342+2334232+3+-+→→→总反应式为： Fe+2Fe+8OHFeO+4HO3422+3+-→即 Fe3O4纳米颗粒的形成可以看成是一个“沉淀-析出”的重建性过程：在浓碱的存在下，溶液中游离的 Fe2+、Fe3+离子迅速生成 Fe(OH)2和 Fe(OH)3共沉淀，同时它们也存在解析，由于 Fe(OH)2的 Ksp 较大，Fe2+比 Fe3+离子更易解析出来，因而在 Fe(OH)2颗粒界面上所析出的 Fe2+离子会迅速进入 Fe(OH)3晶格并按尖晶石结构析出 Fe3O4颗粒。超顺磁性 Fe3O4纳米颗粒的连续制备在连续合成装置中进行。图 2.2 所示为连续制备合成过程原理示意图?
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O647.33;TB383.1;X703

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