鐵氧化物磁性復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及磁性材料的制備和應用領域，具體涉及一種鐵氧化物磁性復合材料及 其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 隨著工業化的迅猛發展，進入環境中的重金屬含量逐漸增加。由于重金屬的生態 毒性、不可降解性等特點，使得環境中重金屬的處理比較困難。另外，重金屬在環境介質，如 水體，土壤，能進行蓄積，超過環境容量會帶來一些不良的環境影響。更為嚴重的是，重金屬 能通過生態食物鏈最終進入人體，會導致生理上的疾病，危害人類健康。
[0003] 因此，重金屬廢水處理的關鍵在于將重金屬從水溶液中分離出來，即把重金屬先 固定下來，然后將固定的部分分離出水相，最終達到去除重金屬的目的。傳統的處理方法， 如絮凝、沉淀，在一定程度上能將重金屬固定下來。但是隨著外界環境條件，如PH，離子強度 等的變化，被固定下來的重金屬含量會發生變化，而且被固定下來的重金屬也會重新進入 環境，降低處理效率。隨著一些新型吸附劑的合成，重金屬的處理成為熱點，吸附已成為去 除污染物的重要手段。具有高吸附容量的活性炭、沸石、羥基磷灰石等吸附劑已被廣泛地研 宄并應用于環境污染物的處理；但吸附處理后，這些吸附劑難于分離回收，或者回收繁瑣。 如今，納米材料也因其粒徑太小而難于回收，難以推廣于實地修復處理。
[0004] 磁性材料由于其自身優越的特點而被廣泛用于處理環境污染物的研宄。鐵氧化物 在環境中存在較豐富，如在沉積物中能結合重金屬而降低其生物可利用性。基于其本身具 有的磁性特點，所以鐵氧化物作為吸附劑處理重金屬以及再回收是比較有前景的。近來許 多研宄者致力于鐵氧化物的合成和應用，特別是鐵氧化物表面結構的變化，而且鐵氧化物 的應用范圍較廣。例如，用硫醇基改性的超順磁Fe3O4用于吸附汞、銀、鉛和鎘；表面像花瓣 狀的a-Fe2O3吸附砷（五價）和鉻（六價）；具微孔的a-Fe2O3用于檢測甲醛；單分散的 Fe3O4和Y-Fe2O3用于鋰離子電池的陽極材料，均取得了較好的效果。但這些合成的鐵氧化 物的零點電位一般在7. 0~8. 5之間，在酸性條件下去除污染物，尤其是陽離子重金屬的效 果較差。
[0005] 鐵氧化物的合成，一般都需要加入模板。模板分為兩類：一類是硬模板，如二氧 化硅、高分子聚合物以及金屬氧化物；另一類為軟模板，如乳液滴、膠團或氣泡等。通過熱 處理，得到鐵氧化物，其表面會形成多孔而具有較大比表面積的結構，從而吸附容量得到提 高。但其合成過程太過繁瑣，且耗時較長；此外，Fe3O4的合成過程還要通入氮氣防止過度氧 化。如何簡化合成方法而又不降低鐵氧化物的吸附性能是目前所研宄的重點。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中的不足，提供一種重金屬吸附能力 強、制備成本低、且環保可再生回收利用的鐵氧化物磁性復合材料。另外，還提供一種工藝 簡單、周期短、原料廉價的鐵氧化物磁性復合材料的制備方法以及該鐵氧化物磁性復合材 料在重金屬廢水處理中的應用。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0008] 一種鐵氧化物磁性復合材料，包括a-Fe203、Y-Fe2O3和Fe304;所述鐵氧化物磁 性復合材料是由四水合氯化亞鐵和十二烷基硫酸鈉（SDS)在過氧化氫的作用下經100~ 700 °C焙燒制備得到。
[0009] 作為一個總的技術構思，本發明還提供了一種鐵氧化物磁性復合材料的制備方 法，包括以下步驟：
[0010] Sl:先將四水合氯化亞鐵和十二烷基硫酸鈉（SDS)混合溶解，在加入過氧化氫，混 合搖勻，得到混合物；
[0011] S2 :將上述步驟Sl制備得到的混合物進行恒溫焙燒，得到鐵氧化物磁性復合材 料。
[0012] 進一步的，所述步驟Sl中，所述四水合氯化亞鐵、十二烷基硫酸鈉和過氧化氫的 摩爾比為5~12 : 1 : 2~3. 2。
[0013] 進一步的，所述步驟S2中，所述恒溫焙燒的溫度為100~700°C。更優選的，所述 恒溫焙燒的溫度為200~500 °C。
[0014] 進一步的，所述步驟S2中，所述恒溫焙燒的時間為2~6h。
[0015] 作為一個總的技術構思，本發明還提供了上述鐵氧化物磁性復合材料或上述制備 方法制得的鐵氧化物磁性復合材料在重金屬廢水處理中的應用，包括以下步驟：將所述鐵 氧化物磁性復合材料添加到重金屬廢水中進行振蕩吸附反應，完成對重金屬廢水的處理。
[0016] 進一步的，所述鐵氧化物磁性復合材料的添加量為0. 05~2. 00g/L。
[0017] 進一步的，所述重金屬廢水中鉛的濃度為0. 5~60.Omg/L。
[0018] 進一步的，所述振蕩吸附反應的條件是：溫度為30~60°C，優選為30°C;轉速為 155~180rpm，優選為175rpm;時間為10~14h，優選為12h。
[0019] 進一步的，所述振蕩吸附反應過程中廢水的pH值控制在2. 0~7. 0。更優選的，所 述振蕩吸附反應過程中廢水的pH值控制在5. 0±0. 2。
[0020] 本發明的創新點在于：
[0021] 本發明以四水合氯化亞鐵、十二烷基硫酸鈉和過氧化氫為原料制備磁性氧化鐵， 其化學反應方程式為：
[0022] 2Fe2++H202+4H20 = 2Fe(OH) 3+4H+;
[0023] 在反應過程中，SDS作為一種模板，在制備磁性材料的初始階段，即氯化亞鐵和過 氧化氫反應階段添加，使兩者的反應在SDS中進行。SDS作為一種陰離子表面活性劑，能 很好地結合氫離子，而且會提高生成物的表面張力，生成的沉淀也不易酸化溶解，也不易聚 集。另外，SDS包圍在亞鐵離子周圍，使得由過氧化氫分解產生的羥基自由基不會迅速氧化 亞鐵離子，這也是200°C下焙燒產物中存在Fe3O4的重要原因。
[0024] 然后，將制備得到的氫氧化鐵沉淀在通過高溫焙燒得到氧化鐵；而焙燒過程會去 除掉大部分SDS。相比于現有技術中的制備方法，本發明的得到的氧化鐵能在較酸性（如 pH= 2. 0)下保持穩定。
[0025] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0026] (1)本發明的鐵氧化物磁性復合材料對鉛的吸附能力強、吸附效果明顯，制備成本 低，易于分離、環保、可回收再生利用，是一種較為理想的重金屬（Pb)廢水吸附劑。
[0027] (2)本發明的鐵氧化物磁性復合材料中磁性材料主要是Fe2O3，鐵是+3價的；相比 于現有技術中的Fe3O4磁性材料更穩定。因為Fe304磁性材料，鐵有+2和+3兩個價態，而+2 價態的鐵很容易被氧化成+3價而表現出不穩定，所以需要嚴格干燥密封保存。而本發明的 鐵氧化物磁性復合材料保存條件簡單，只需干燥，無需密封。
[0028] (3)本發明提供了一種鐵氧化物磁性復合材料的制備方法，針對現有磁性材料的 合成方法太過繁瑣，且耗時較長的不足，本發明以四水合氯化亞鐵、SDS和過氧化氫為原料， 其中SDS為模板，通過采用溶膠-凝膠合成方法制備得到氫氧化鐵，氫氧化鐵通過焙燒得到 鐵氧化物磁性復合材料。整個制備過程中，焙燒溫度相對較低，焙燒時間及周期較短；具有 工藝簡單、周期短、原料廉價等優點。
[0029] (4)相比于現有技術中，Fe3O4磁性材料的制備需要在有機介質，如乙二醇，并在反 應釜中加熱加壓下進行，在焙燒過程中還需要通入惰性氣體如氮氣。本申請的制備方法中， 鐵氧化物磁性復合材料常溫條件下便可發生反應，同時焙燒過程可在空氣中進行，簡化了 操作步驟、降低了生產成本。
[0030] (5)本發明的鐵氧化物磁性復合材料可用于處理重金屬（如鉛）廢水，對重金屬 (如鉛）的吸附能力強、吸附效果明顯，且在運用過程中易于實現固液分離。本發明的鐵氧 化物磁性復合材料重復利用性較好，經過5次吸附-解析循環過程，其對鉛的吸附效果仍有 88. 62% 〇
【附圖說明】
[0031] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖