一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料及其制备方法和应用，属于纳米材料制备技术领域。制备方法为：将玉米秸秆从干燥的玉米杆中剥出、洗净晾干并剪成10~20 mg的小块；取玉米秸秆置于高锰酸钾溶液中，持续搅拌下反应60~120 min，此时秸秆由白色变为深棕色；取出秸秆，洗净晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。该材料颗粒尺寸在3.6~11.7 nm，且附着在玉米秸秆上。本发明专利技术在室温敞开环境下搅拌完成，无需复杂的仪器设备，因此具有简单、低耗、绿色的优点；二氧化锰/玉米秸秆纳米材料对亚甲基蓝染料表现出了优异的去除效果，并且在监控净化过程和后处理时，避免了繁琐的离心或过滤操作，极大地简化了净化过程。

A Manganese Dioxide/Corn Straw Nanomaterial and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a manganese dioxide/corn straw nanomaterial and a preparation method and application thereof, belonging to the technical field of nanomaterial preparation. The preparation method is as follows: corn straw is peeled from the dried corn stalk, washed and dried, and cut into 10-20 mg pieces; corn straw is put into potassium permanganate solution, and reacted for 60-120 minutes under continuous stirring, when the straw changes from white to dark brown; the straw is taken out, washed and dried, and the manganese dioxide/corn straw nanomaterials are obtained. The particle size of the material ranges from 3.6 to 11.7 nm and is attached to corn straw. The invention has the advantages of simplicity, low consumption and green because it is completed by stirring in an open room temperature environment without complicated instruments and equipment. Manganese dioxide/corn straw nanomaterials have excellent removal effect on methylene blue dyes, and avoid tedious centrifugal or filtering operations in monitoring the purification process and post-treatment, greatly simplifying the purification process.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料及其制备方法和应用，属于纳米材料制备

技术介绍
水污染一直以来都是一个严重的问题，水资源、水质量和水处理已经成为了公众和政府的主要关注点。染料作为一种常见的水污染物对自然环境和人类健康存在负面影响（L.Zhang,Y.Nie,C.Hu,X.Hu,J.Hazard.Mater.,2011,190,780-785.），因此在水净化中去除这些有害染料是非常必要的。设计新颖的技术或提升现有技术，纳米材料在水处理尤其是染料净化中展现出多种应用潜能（F.Perreault,A.F.deFaria,M.Elimelech,Chem.Soc.Rev.,2015,44,5861-5896.）。而二氧化锰纳米材料由于其独特的优异性能已经被广泛地使用在水净化领域。例如甲基橙、亚甲基蓝、罗丹明B、酸性红、刚果红等染料已经被二氧化锰纳米材料成功地去除。然而，在这些报道中，监控净化过程和后处理中必须进行过滤或离心操作，这样使得操作过程复杂，且限制了二氧化锰纳米材料的实际应用。生物模板法由于避免了昂贵的仪器设备和复杂的反应过程，具有绿色低耗的优点。玉米秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其含量分别是30-35%、25-30%和16-20%（T.Shui,S.Feng,G.Chen,A.Li,Z.Yuan,H.Shui,T.Kuboki,C.Xu,BiomassBioenerg.,2017,105,51-58.）。玉米秸秆作为一种常见的农村废弃物，方便获得、价格低廉，因此它具有作为生物模板制备纳米材料的潜能，并且玉米秸秆本身的吸附能力和宏观可操作性能使得其可以应用于染料净化领域。目前，尚未报道通过玉米秸秆与高锰酸钾发生原位氧化还原反应合成纳米二氧化锰材料的报道。
技术实现思路
本专利技术旨在提供于一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料及其制备方法和应用。本专利技术原理：采用玉米秸秆与高锰酸钾混合后在植物纤维上发生的原位氧化还原反应，一步法制备二氧化锰/玉米秸秆纳米材料，二氧化锰颗粒尺寸在3.6~11.7nm，该材料同时具有玉米秸秆本身的吸附能力和二氧化锰材料在水溶液中由于表面形成羟基所带来的吸附性能，进一步地，二氧化锰材料还具有氧化活性。因此，该材料对亚甲基蓝表现出了优异的去除净化能力；并且在净化过程或完成之后，材料可以简单地取出，简化了净化操作过程。本专利技术制得的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的颗粒尺寸为3.6~11.7nm，且附着在玉米秸秆上。本专利技术提供了上述二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的制备方法，将玉米秸秆从干燥的玉米杆中剥出、洗净晾干并剪成小块；取玉米秸秆置于高锰酸钾溶液中，持续搅拌下反应，此时秸秆由白色变为深棕色；取出秸秆，洗净晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。上述的制备方法包括以下步骤：（1）将玉米秸秆从干燥的玉米杆中手工剥出，用去离子水冲洗十遍、自然晾干后将其剪为10~20mg的小块；（2）取玉米秸秆置于高锰酸钾溶液中，在100~300rpm持续搅拌的条件下反应60~120min；（3）将步骤（2）中玉米秸秆取出并用去离子水冲洗十遍、自然晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。上述步骤（2）中，玉米秸秆与高锰酸钾溶液的配比为：每mg玉米秸秆使用0.125~0.5μmol高锰酸钾溶液。进一步地，步骤（2）中，取40~80mg玉米秸秆置于10~20mL的高锰酸钾溶液中，高锰酸钾溶液的浓度为1mmol/L。本专利技术提供了上述二氧化锰/玉米秸秆纳米材料在净化有机染料中的应用。上述有机染料包括亚甲基蓝。上述的应用过程为：取二氧化锰/玉米秸秆纳米材料置于6~10mg/L的亚甲基蓝溶液中，分别在水溶液和pH=3的缓冲溶液中搅拌60min，实现了对亚甲基蓝的净化，其中二氧化锰/玉米秸秆纳米材料和亚甲基蓝的质量比为：400~666.67：1。在水溶液中的去除效率为65.15%~72.51%，在缓冲液中的去除效率为86.24%~94.28%。本专利技术的有益效果：本专利技术方法在室温敞开环境下搅拌完成，无需复杂的仪器设备，因此具有简单、低耗、绿色的优点；本专利技术所得二氧化锰/玉米秸秆纳米材料对亚甲基蓝染料表现出了优异的净化效果，并且在监控净化过程和后处理中，材料可以直接取出，避免了繁琐的离心或过滤操作，极大地简化了净化过程，使其成为一种优异的染料净化材料。附图说明图1是实施例1中，玉米秸秆和高锰酸钾溶液混合搅拌反应60min得到的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的扫描电子显微镜（A）和用热碱处理过滤后的材料的透射电子显微镜（B）照片，标尺分别是40μm和20nm，插图标尺为5nm；图2是实施例1中，玉米秸秆和高锰酸钾溶液混合搅拌反应60min得到的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料用热碱处理过滤后的纳米粒度表征图；图3是实施例1中，玉米秸秆和高锰酸钾溶液混合搅拌反应60min得到的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的X射线光电子能谱全谱图（A）、Mn分谱图（B）和氧分谱图（C）；图4是实施例1中，玉米秸秆和高锰酸钾溶液混合搅拌反应60min得到的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的热重分析图；图5是实施例1中，玉米秸秆和高锰酸钾溶液混合搅拌反应60min得到的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料对亚甲基蓝染料在蒸馏水（A）和pH=3缓冲液（B）中的净化效果以及在蒸馏水（C）和pH=3缓冲液（D）净化过程中的光谱变化。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例1：（1）将玉米秸秆从干燥的玉米杆中手工剥出，用去离子水冲洗十遍、自然晾干后将其剪为10mg的小块；（2）称取高锰酸钾0.07915g于干净的烧杯中，溶解后定容至500mL，配制1mmol/L的高锰酸钾溶液。（3）取4块共40mg玉米秸秆置于20mL1mmolL-1的高锰酸钾溶液中，在300rpm持续搅拌的条件下反应60min；（4）将反应后的玉米秸秆取出并用去离子水冲洗十遍、自然晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。图1为采用扫描电子显微镜（JSM-7500F,日本电子）对材料进行形貌表征（A）和采用透射电子显微镜（Tecnai-G20，美国FEI）对热碱处理过滤后的材料进行形貌表征（B）。A图标尺为40μm，B图标尺为20nm，插图的标尺为5nm。由于玉米秸秆较差的导电性，在SEM图中并未观察到纳米颗粒。在热碱处理过滤后材料的TEM图中观察到了球状纳米颗粒。图2为采用马尔文纳米粒度仪（Nano-ZS90,Malvern）对热碱处理过滤后的材料测试结果。结果表明，材料的粒径在3.61~11.7nm。图3为采用X射线光电子能谱仪（K-Alpha,美国赛默飞）对上述材料进行表征的结果，表明该材料由C1s、O1s、N1s、Mn2p等元素组成，其中Mn2p分谱中在654.0和642.5eV处的分峰分别对应于Mn2p1/2和Mn2p3/2，O1s分谱中在532.9、531.6和529.8eV处的分峰分别对应于H-O-H、Mn-O-H、Mn-O-Mn的结合形式。图4为采用热重分析仪（NETZSCHSTA449F3,德国耐驰）对材料进行分析。结果表明单独的玉米秸秆在800oC时被完全烧尽，而二氧化锰/秸秆纳米材料最终保持本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料，其特征在于：二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的颗粒尺寸为3.6~11.7 nm，且附着在玉米秸秆上。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化锰/玉米秸秆纳米材料，其特征在于：二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的颗粒尺寸为3.6~11.7nm，且附着在玉米秸秆上。2.一种权利要求1所述的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的制备方法，其特征在于：将玉米秸秆从干燥的玉米杆中剥出、洗净晾干并剪成小块；取玉米秸秆置于高锰酸钾溶液中，持续搅拌下反应，此时秸秆由白色变为深棕色；取出秸秆，洗净晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。3.根据权利要求2所述的二氧化锰/玉米秸秆纳米材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将玉米秸秆从干燥的玉米杆中手工剥出，用去离子水冲洗十遍、自然晾干后将其剪为10~20mg的小块；（2）取玉米秸秆置于高锰酸钾溶液中，在100~300rpm持续搅拌的条件下反应60~120min；（3）将步骤（2）中玉米秸秆取出并用去离子水冲洗十遍、自然晾干，得到了二氧化锰/玉米秸秆纳米材料。4.根据权利要求3所述的二氧化锰/玉米秸秆纳米材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琦，马春蕾，马旭璐，
申请(专利权)人：太原工业学院，
类型：发明
国别省市：山西,14