用于污水處理的包覆型磁性納米復合材料及其制備和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于污水處理和磁性納米材料技術領域，涉及一種用于污水處理的磁性納米復合材料及其制備和應用。
【背景技術】
[0002]目如，磁性鐵/碳復合材料由于具有尚效、低成本以及易回收等特點，被廣泛的應用于工業廢水處理中。例如:以活性碳為載體的負載型磁性鐵的氧化物復合型材料，已廣泛的應用于吸附工藝中；隨著非均相芬頓反應催化劑研究的進行，一些鐵/碳復合型催化劑也漸漸地應用于高級氧化工藝中。
[0003]現有的鐵/碳復合材料，一般都是將磁性顆粒負載在載體表面上，磁性顆粒不僅易脫落，造成二次污染，堆積在池底的載體也會形成淤泥，堵塞設備，而且像活性碳、碳纖維這些比表面積較小的傳統碳載體，已無法滿足當今水體污染物凈化的要求。
[0004]因此，目前存在的問題是需要研究開發一種能夠顯著提高磁性顆粒的穩定性，具有較強的吸附能力，且能有效降解有機污染物的磁性復合材料。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種用于污水處理的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料。納米復合材料能夠顯著提高磁性顆粒的穩定性，具有較強的吸附能力，且能有效降解有機污染物，可用于工業廢水處理。
[0006]為此，本發明第一方面提供了一種用于污水處理的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料，其包括介孔碳以及包覆于介孔碳孔道內的磁性氧化鐵納米粒子，其中，所述磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料的比表面積為500-1200平方米/克。
[0007]根據本發明，在所述磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料中，磁性鐵氧化物的質量含量為0.5%-40%。所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為0.5-70納米。優選所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為0.5-50納米。更為優選的，所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為2-10納米。所述介孔碳的比表面積在800-1500平方米/克。
[0008]本發明第二方面提供了一種如本發明第一方面所述的納米復合材料的制備方法，其包括:
[0009]步驟A，將無機鐵鹽溶于水和乙醇的混合液中，配制成鐵離子溶液；
[0010]步驟B，將鐵離子溶液與介孔碳粉末混合，攪拌均勻后，干燥，制得磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I;
[0011 ]步驟C，在氨存在條件下，將磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I進行水解反應，然后干燥，制得磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體Π;
[0012]步驟D，將磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體Π在無氧條件下進行煅燒，制得磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料。
[0013]在本發明的一些實施例中，在步驟B中，攪拌的時間為3-20小時。優選攪拌的時間為12小時。所述干燥的溫度為0-80°C。優選所述干燥的溫度為50°C。
[0014]在本發明的另一些實施例中，在步驟C中，所述水解反應的溫度為40_80°C。優選水解反應的溫度60°C。所述水解反應的時間為1-6小時。所述干燥的溫度為40-80°C。優選所述干燥的溫度為50°C。
[0015]在本發明又一些實施例中，在步驟D中，所述煅燒的溫度為100-1000°C。所述煅燒的時間為1-10小時。
[0016]根據本發明的一個實施例，在步驟A中，在所述混合溶液中，水與乙醇的體積比為1:1。
[0017]根據本發明，在步驟B中，以鐵離子溶液的體積計的介孔碳的量為4:1。
[0018]根據本發明，在鐵離子溶液中，無機鐵鹽的濃度為0.1-1摩爾/升。
[0019]在本發明的一些實施例中，所述無機鐵鹽包括硝酸鐵、氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸鐵和硫酸亞鐵中的至少一種。優選所述無機鐵鹽為硝酸鐵。
[0020]根據本發明，在步驟C中，以氨水的體積計磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I的量為50:1。
[0021]本發明第三方面提供了如本發明第一方面所述的納米復合材料或如本發明第二方面所述的方法制備的納米復合材料在工業廢水處理中的應用。
[0022]本發明中，優選所述工業廢水中的污染物包括亞甲基藍、甲基橙、剛果紅、羅丹明、苯酚、砷、鉛和汞中的至少一種。更為優選的所述工業廢水中的污染物為甲基橙。
【附圖說明】
[0023]下面將結合附圖來說明本發明。
[0024]圖1是本發明實施例1中制備的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料的透射電鏡(TEM)圖。
[0025]圖2是圖1的放大圖。
[0026]圖3是本發明實施例1中制備的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料的X射線衍射(XRD)圖。
[0027]圖4是本發明實施例2中亞甲基藍在實施例1中制備的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料作用下的降解效率圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明更加容易理解，下面將結合實施例和附圖來詳細說明本發明，這些實施例僅起到說明性作用，并不局限于本發明的應用范圍。
[0029]本發明采用以下【具體實施方式】來實現本發明:
[0030]在本發明的一個【具體實施方式】中，本發明涉及一種用于污水處理的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料，其為包覆型磁性鐵氧化物@介孔碳納米復合材料;其包括作為載體的介孔碳以及包覆于介孔碳孔道內的磁性鐵氧化物納米粒子，其中，所述磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料的比表面積為500-1200平方米/克。
[0031]本發明中，優選具有較高比表面積和較高孔體積的介孔碳作為載體，例如，可以選擇高比面積、高孔積的介孔碳CMK-3，其比表面積在800-1500平方米/克。
[0032]在所述磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料中，磁性鐵氧化物的質量含量為
0.5%-40%。所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為0.5-70納米。優選所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為0.5-50納米。更為優選的，所述磁性鐵氧化物納米粒子的粒徑為2-10納米。
[0033]在本發明的另一個【具體實施方式】中，本發明涉及一種用于污水處理的磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料的制備方法，其包括以下步驟:
[0034](I)將無機鐵鹽溶于水和乙醇的混合液中，配制成鐵離子溶液;在鐵離子溶液中，所述鐵無機鹽溶液的濃度范圍為0.1-1摩爾/升;在所述混合溶液中，水與乙醇的體積比為1:1。
[0035](2)將鐵離子溶液浸入到介孔碳粉末(例如介孔碳CMK_3)(或者將介孔碳粉末加入鐵離子溶液中)，攪拌分散3-20小時，優選攪拌分散12小時后，在烘箱中0-80°C，優選50°C干燥，制得磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I。
[0036](3)將磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I隨容器放在盛有氨水的玻璃瓶中，磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體I不與氨水接觸，將玻璃瓶放在烘箱中，在40-80°C，優選60°C下保持1-6小時進行水解反應，隨即將水解反應后的產物(含Fe(OH)x配合物)放在烘箱中，在40-80°C下，優選在50°C下干燥12小時，制得粉末狀磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體Π。
[0037](4)將粉末狀磁性鐵氧化物/介孔碳納米復合材料前體Π用瓷舟裝載，放入通有惰性氣體，例如氬氣的管式