功能化磁性纳米材料的制备及其对水中污染物的去除

发布时间：2020-06-28 03:32

【摘要】：磁性纳米粒子具有独特的磁学性质和优异的物理化学性质，由于其表面多为具有较强配位能力的金属或金属氧化物，因而易于被功能化修饰；而经过功能化修饰的磁性纳米粒子在此基础上又被赋予了新的功能属性，如较强的化学稳定性、较高的生物相容性和专属性的吸附性能等，因此它们不仅被广泛地应用于生物、医学等领域，而且在工业废水、环境水及地下水的净化与治理中也显示了独特的优势。在本论文中，我们首先通过水热合成法制备出球形的磁性纳米粒子，然后将其表面功能化修饰，成功制备出十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰的磁性介孔硅微球以及Fe3O4@膨润土复合材料；并将得到的磁性材料应用于染料废水的脱色处理及水源中生物污染物——微囊藻毒素-LR（MC-LR）的去除，具体开展了以下几个方面的研究： 1.首先，我们通过水热合成法制备出球形的Fe3O4纳米粒子，通过St ber法在其表面包覆上双层的SiO2外壳，并将功能化试剂CTAB修饰于第二层硅外壳中，得到了表面带有铵离子的磁性介孔硅微球。进一步，将制得的功能化纳米微球应用于阴离子染料——溶剂绿7的去除。结果表明：由于表面CTAB分子的存在，带有正电荷的功能化磁性微球对溶剂绿7具有较强的吸附能力，其单分子饱和吸附量（294.12mg/g）是未经CTAB修饰的磁性介孔硅材料的四倍。此外，染料溶液的初始浓度、pH、温度等因素对吸附结果均具有一定的影响：较低的pH下吸附剂具有更强的吸附性能；而溶剂绿7浓度的增大及溶液温度的升高都可以提高磁性吸附剂的吸附性能。 2.膨润土具有较好的粘结性、吸水性及吸附性，在化工、医疗、环境等领域具有很好的应用前景。但是，其在溶液中多以悬浊液的形式存在，难以实现固-液分离与回收，极大地限制了膨润土在水处理等领域中的应用。为了解决这一难题，我们制备了锆离子柱撑的膨润土材料，并通过一步水热合成法制备出表面均匀分散Fe3O4纳米微球的磁性膨润土复合材料（Fe3O4@Zr-B），将其应用于水中阴离子染料刚果红的去除。结果表明：随着溶液初始浓度的升高，磁性吸附剂对刚果红的吸附能力逐渐增大；而温度的升高不但可以缩短到达吸附平衡所用的时间，也可以提高Fe3O4@Zr-B对刚果红的吸附能力。准二级动力学模型能够很好地拟合实验结果，表明静电作用在吸附过程中起着主导作用。最终由Langmuir等温吸附方程式计算出Fe3O4@Zr-B对刚果红的最大吸附容量为63.29mg/g。 3.为了提高膨润土在水中的分散性，并增大其对生物污染物MC-LR的吸附效果，我们先将膨润土用铝离子插层，得到羟基铝柱撑的膨润土材料，然后通过一步水热合成法成功制备出了磁性膨润土复合材料（Fe3O4@Al-B）。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积测定、X-射线衍射（XRD）等技术详细地研究了Fe3O4@Al-B的物理化学性质，并具体讨论了MC-LR的初始浓度、pH等因素对吸附结果的影响。结果表明：较低的pH（pH=2.1）更有利于Fe3O4@Al-B吸附溶液中的MC-LR分子，因此时带负电荷的吸附剂对MC-LR具有更强的吸附能力；而溶液初始浓度的增大可使达到吸附平衡后有更多的MC-LR分子吸附于Fe3O4@Al-B的表面。通过Langmuir等温吸附方程式将吸附数据进行线性拟合得出Fe3O4@Al-B对MC-LR的单分子饱和吸附容量为161.29mg/g。因此，和其它常用的吸附剂相比，Fe3O4@Al-B具有更加优异的吸附性能。 4.最后，我们制备并考察了另一磁性纳米微球——CoFe2O4对MC-LR的吸附性能。文中讨论了MC-LR的初始浓度、溶液的pH等相关因素对磁性微球吸附性能的影响。结果表明：较高的MC-LR浓度与较低的pH更有利于CoFe2O4微球吸附溶液中的MC-LR分子。相关机理研究表明，CoFe2O4和MC-LR分子之间的驱动力主要包括活性基团与金属之间的配位作用以及静电吸附作用。再生实验结果表明：使用后的CoFe2O4可以通过甲醇与水的混合液洗脱后再生，即便重复使用5次后，该纳米微球对MC-LR仍具有较强的吸附能力。此外，CoFe2O4纳米微球对环境水样中的MC-LR也具有较强的吸附性能。我们开发了多种用于修饰磁性纳米粒子的新方法，并将制得的功能化磁性纳米复合材料有效地应用于污染水体中染料和MC-LR的去除；详细地研究了污染物质的初始浓度，温度以及溶液的酸度等因素对功能化微球吸附性能的影响；并对污染物和吸附剂之间的作用机理进行了较为详细地研究，为进一步将这些多功能的磁性纳米复合材料应用于其它环境污染物的去除奠定了基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O647.33;X703

【参考文献】