制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料及其制备方法，其中，制备方法包括：(1)将海绵进行破碎处理，以便得到海绵粉末；(2)将所述海绵粉末进行清洗处理并干燥；(3)将经过所述清洗处理的海绵粉末与强碱溶液和铁盐混合并进行反应，以便在所述海绵的孔隙中原位合成氧化铁纳米颗粒；以及(4)将步骤(3)所得混合物进行过滤、清洗和干燥，以便获得所述海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。该方法操作简单，成本低，且制备得到的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料对砷As(V)和As(III)具有较高的吸附容量和较好的稳定性，并易于分离回收。

Preparation of sponge supported iron oxide nanoparticle composite in situ

The present invention discloses an in situ synthesis of a sponge loaded iron oxide nano particle composite and a preparation method, in which the preparation method includes: (1) the sponge is broken to get the sponge powder, and (2) the sponge powder is cleaned and dried, and (3) the sponge powder treated by the cleaning is dissolving with strong alkali. The liquid is mixed with the iron salt and reacts so that the iron oxide nanoparticles are in situ synthesized in the pores of the sponge, and (4) the mixture of step (3) is filtered, cleaned and dried to obtain the spongy iron oxide nanoparticles composite. The method is simple in operation and low in cost. The prepared sponge supported iron oxide nanoparticles composite has high adsorption capacity and good stability for arsenic As (V) and As (III), and is easy to be separated and recovered.

【技术实现步骤摘要】
制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法
本专利技术属于材料化学领域，具体而言，本专利技术涉及制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法。
技术介绍
美国疾病控制中心(CDC)和国际癌症研究机构(LARC)将砷定为第I类致癌物质。在我国，地方性砷中毒问题十分严峻。据中国预防医学科学院统计，目前饮用含砷地下水(质量浓度≥10μg/L)的人口高达1466万。地下水的氧化还原电位较低，其中As(III)比As(V)更普遍，而As(III)的毒性比As(V)高100倍。As(III)较难通过混凝沉淀法去除，效率一般在46％～84％范围。因此，As(III)的去除成为技术难题。国内外专家学者的研究已表明，吸附法是非常有效、简便易行且具有发展前景的方法之一。为有效地去除As(III)和As(V)，需找到一种具有强吸附效果的吸附材料。铁及铁的氧化物已被证明是良好的除砷吸附剂。纳米铁氧化合物Fe3O4因为其比表面积大、反应活性高、不易被氧化腐蚀、具有磁性、对As(V)和As(III)有较强选择吸附能力等，在含砷废水及含砷地下水处理中而备受关注。然而，由于纳米四氧化三铁颗粒极细，受水流压头损失和颗粒机械强度的限制难以直接应用于固定床系统；同时，纳米氧化铁易“团聚”的问题也使其难以流态化，从而限制了其在工程实际中的应用。此外，粒径大小是影响纳米铁氧化合物Fe3O4对砷吸附性能的关键，粒径越小，吸附面积越大，可吸附的砷的容量就越高。然而，粒径越小，磁分离越不容易实现(因为磁场对于颗粒的作用力与颗粒尺寸成正比，当颗粒尺寸太小时，不足以克服颗粒间的Brownian运动，磁分离就不能实现)。这样吸附剂在水溶液中的吸附性能和分离性能就形成对立。因此，为解决上述问题，须将氧化铁纳米颗粒固载到多孔固相载体表面来制备复合材料。海绵，因其多孔且具有可压缩性，可在材料达到服役极限时压缩至非常小的体积从而便于处理，是较为理想的一种载体。因此，开发一种海绵负载纳米氧化铁颗粒的制备复合材料的方法，在提高纳米氧化铁材料吸附砷的吸附容量的同时，又保证在水溶液中易于分离显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法。该方法操作简单，成本低，且制备得到的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料可压缩程度较大，在使用过程中的扩散阻力小，对砷As(V)和As(III)具有较高的吸附容量和较好的稳定性，且易于分离回收。根据本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法，包括：(1)将海绵进行破碎处理，以便得到海绵粉末；(2)将所述海绵粉末进行清洗处理并干燥；(3)将经过所述清洗处理的海绵粉末与强碱溶液和铁盐混合并进行反应，以便在所述海绵的孔隙中原位合成氧化铁纳米颗粒；以及(4)将步骤(3)所得混合物进行过滤、清洗和干燥，以便获得所述海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。根据本专利技术上述实施例的制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法，可以以多孔且可压缩程度较大的海绵为载体，并在海绵的孔隙中原位合成氧化铁纳米颗粒，进而得到海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。本专利技术上述实施例的制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法操作简单，成本低，且采用该方法制备得到的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料还具有以下优点：(1)可压缩程度较大，在达到服役极限时能够被压缩至非常小的体积从而便于处理；(2)海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料在使用过程中扩散阻力小，且海绵表面负载的氧化铁纳米颗粒分布均匀，使得氧化铁纳米颗粒具有较好的分散性，进而使海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料对砷As(V)和As(III)具有较高的吸附容量和较好的稳定性；(3)海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料在使用过程中易于分离回收再利用。根据本专利技术实施例的制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述海绵为选自聚氨酯海绵、聚醚发泡海绵和木纤维素海绵中的至少一种。由此，可以显著提高对氧化铁纳米颗粒的负载量以及制备得到的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的可压缩性能。在本专利技术的一些实施例中，所述海绵粉末的粒径为1-100μm，优选1-50μm，更优选1-20μm。由此，不仅可以使制备得到海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料在使用时可以被压缩的更小，还可以使氧化铁纳米颗粒在海绵粉末表面及孔隙内均匀分散。在本专利技术的一些实施例中，步骤(2)中，所述清洗处理包括依次采用盐酸和去离子水进行清洗，所述盐酸的浓度为0.2-1.2mol/L。由此，可以进一步提高对海绵粉末的清洗效率和清洗效果。在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液或者氨水，所述氢氧化钠溶液和所述氨水的浓度分别独立地为0.2-10mol/L。由此，不仅可以使铁离子以海绵为载体原位合成氧化铁纳米颗粒，并进一步提高铁盐的转化率和转化效率，还可以使氧化铁纳米颗粒同时分布于海绵表面及其多孔结构内部表面。在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，所述铁盐为三价铁盐和二价铁盐的混合物或三价铁盐，所述三价铁盐为氯化铁或硫酸铁，所述二价铁盐为氯化亚铁或硫酸亚铁。在本专利技术的一些实施例中，所述三价铁盐和二价铁盐的混合物中，三价铁离子与二价铁离子的摩尔比为2:1。由此可以有效原位合成四氧化三铁纳米颗粒。在本专利技术的一些实施例中，所述三价铁盐以三价铁盐溶液的形式加入，所述三价铁盐溶液的浓度为0.1-5mol/L，所述二价铁盐以二价铁盐溶液形式或固体粉末的形式加入，所述二价铁盐溶液的浓度为0.05-2.5mol/L。由此，可以显著提高生成的氧化铁纳米颗粒中四氧化三铁的含量，使海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料对As(V)和As(III)具有更好的选择吸附性、更高的吸附容量以及吸附稳定性。在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)中，所述反应在惰性气体保护下进行，所述反应的温度为60-80摄氏度。由此，可以为反应物从成核到结晶再到形成氧化铁纳米颗粒提供良好的反应环境，并进一步减小生成的氧化铁纳米颗粒的粒径。在本专利技术的一些实施例中，所述海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料中负载的氧化铁纳米颗粒的粒径为10-100nm，优选10-40nm，更优选10-20nm。由此，可以显著提高氧化铁纳米颗粒的比表面积，进而能够显著提高海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料对As(V)和As(III)的吸附容量。根据本专利技术的第二个方面，本专利技术还提出了一种采用上述制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法制备得到的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。本专利技术上述实施例的海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料具有以下优点：(1)可压缩程度较大，在达到服役极限时能够被压缩至非常小的体积从而便于处理；(2)海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料在使用过程中扩散阻力小，且海绵表面负载的氧化铁纳米颗粒分布均匀，使得氧化铁纳米颗粒具有较好的分散性，进而使海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料对砷As(V)和As(III)具有较高的吸附容量和较好的稳定性；(3)海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料在使用过程中易于分离回收再利用。在本专利技术的一些实施例中，所述海绵负载氧化铁纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)将海绵进行破碎处理，以便得到海绵粉末；(2)将所述海绵粉末进行清洗处理并干燥；(3)将经过所述清洗处理的海绵粉末与强碱溶液和铁盐混合并进行反应，以便在所述海绵的孔隙中原位合成氧化铁纳米颗粒；以及(4)将步骤(3)所得混合物进行过滤、清洗和干燥，以便获得所述海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备原位合成海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)将海绵进行破碎处理，以便得到海绵粉末；(2)将所述海绵粉末进行清洗处理并干燥；(3)将经过所述清洗处理的海绵粉末与强碱溶液和铁盐混合并进行反应，以便在所述海绵的孔隙中原位合成氧化铁纳米颗粒；以及(4)将步骤(3)所得混合物进行过滤、清洗和干燥，以便获得所述海绵负载氧化铁纳米颗粒复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海绵为选自聚氨酯海绵、聚醚发泡海绵和木纤维素海绵中的至少一种。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述海绵粉末的粒径为1-100μm，优选1-50μm，更优选1-20μm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述清洗处理包括依次采用盐酸和去离子水进行清洗，所述盐酸的浓度为0.2-1.2mol/L。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述强碱溶液为氢氧化钠溶液或者氨水，所述氢氧化钠溶液和所述氨水的浓度分别独立地为0.2-10mol/L。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述铁盐为三价铁盐和二价铁盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：解跃峰，何柳，王小，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11