一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法和装置，基于溶剂热法，在淀粉废水中加入碱和三价铁盐进行反应，可批量制备粒度分布、结晶度及粒子组成可控的高品质纳米Fe3O4产品，在实现淀粉废水资源化利用的同时，可显著降低纳米Fe3O4的制备成本，还可以实现废水的资源化利用，促进玉米深加工产业的清洁生产和可持续发展。

A Method and Device for Preparing Magnetic Nano-sized Fe3O4

【技术实现步骤摘要】
一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法和装置
本专利技术属于废水处理及纳米材料制备
，尤其涉及一种以淀粉废水为溶剂制备磁性纳米四氧化三铁的方法和装置。
技术介绍
磁性纳米四氧化三铁(Fe3O4)因具有超顺磁性、比表面积大、催化活性高、表面易被修饰、对人体无毒副作用等特点，可广泛应用于着色剂、塑料、皮革、汽车面漆、高磁记录材料、吸附剂、催化剂以及生物传感、细胞追踪、组织工程、磁共振成像、靶向药物递送和癌症治疗等方面。近年来，磁性纳米Fe3O4作为吸附材料及催化材料成为学术界研究的热点，并在环境保护、化工、能源等诸多领域展现出巨大的应用前景。磁性纳米Fe3O4的制备方法较多，但能够批量制备纳米Fe3O4的方法主要有机械球磨法和共沉淀法两种。机械球磨法操作简便，但所制得的粒子存在尺寸分布较宽，制备时间长，能耗大，易引入杂质等缺点，使其不适于制备均一的磁性纳米材料。共沉淀法制备Fe3O4纳米颗粒非常方便，但产物普遍存在尺寸分布比较宽的缺点，且产物表面结构往往是铁氧化物和铁氢氧化物的混合物，纯度较低。因此，开发低成本批量制备粒度、粒度分布、结晶度及粒子组成可控的磁性纳米Fe3O4，成为其走向大规模实际应用的关键。近年来，溶剂热法在实验室中被广泛用于纳米材料的合成，该方法制备的Fe3O4纳米晶具有纯度高、晶粒发育完整、粒子大小可控等优点。但是由于溶剂热法需要乙二醇、聚乙二醇、醋酸钠等作为溶剂、稳定剂及电荷稳定剂，因此制备成本较高；并且由于缺乏溶剂热法批量制备纳米材料的工艺和设备，限制了该工艺的放大。我国是淀粉生产与消费大国，淀粉工业是国民经济中重要的产业之一。然而淀粉产业也是废水排放大户；据调查生产每吨玉米淀粉的平均排放废水量为5～10吨，而且废水具有“4高1低”的特点，即化学需氧量(COD)高、固体悬浮物(SS)高、总氮(TN)高、总磷(TP)高、pH低，其末端治理难度较大。另一方面，淀粉废水属于高浓度偏酸性有机废水，主要含有淀粉、蛋白质和糖类，富含氮、磷等营养物质，如加以有效利用不仅可以降低末端处理的难度，而且可以提高资源的利用效率。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的是提供基于溶剂热法，以淀粉废水中的氨基酸、蛋白质和糖类代替乙二醇、聚乙二醇、醋酸钠等化学试剂作为溶剂和稳定剂，在淀粉废水中加入碱和三价铁盐制备纳米Fe3O4的方法，并设计了可用于批量生产的工艺和装置。用于解决技术问题的方法针对上述问题，本专利技术提出了一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法和装置。根据本专利技术的一个实施方案，提供一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：在淀粉废水中加入碱和三价铁盐进行反应的步骤。一种实施方式为，所述碱选自氢氧化钾、氢氧化钠或氨水中的任一种；三价铁盐来自硫酸铁或氯化铁中的任一种及其组合。一种实施方式为，其中反应温度控制在180～220℃。一种实施方式为，Fe3+/OH—的摩尔比为1/3.0～1/3.5。一种实施方式为，当玉米淀粉废水COD在2800时，每40ml废水加入Fe3+的量为1.3mmol(毫摩尔)～2.0mmol；当废水COD在2800～20000时，加入的Fe3+的物质的量与COD对应成正比。一种实施方式为，进一步包括以下步骤：磁分离步骤；清洗步骤；干燥步骤。一种实施方式为，磁分离步骤采用高梯度磁分离器；清洗步骤采用水洗和醇洗，醇洗采用醇与惰性高压气体形成的高压水气清洗。根据本专利技术的一个实施方案，提供一种制备磁性纳米四氧化三铁的装置，其特征在于，包括反应模块，分离模块，清洗模块和干燥模块；其中反应模块包括反应单元、进料单元、温度控制单元，进料单元用于向反应单元提供反应原料，温度控制单元用于控制反应单元的反应温度；分离模块与反应模块连接，用以分离反应后的淀粉废水；清洗模块与分离模块连接，用以将分离后的磁性纳米粒子清洗；干燥模块与分离模块连接，用以将清洗后的磁性纳米材料干燥。可选的，进料单元包括淀粉废水提供单元、碱提供单元、三价铁盐提供单元；温度控制单元包括加热单元和冷却单元；分离模块包括高梯度磁分离器；高梯度磁分离器包括轭铁，电磁线圈，装填不锈钢毛的分离容器。一种实施方式为，分离单元包括高梯度磁分离器，一种实施方式为，清洗模块包括水洗单元和醇洗单元，醇洗单元包括醇提供单元和高压惰性气体提供单元，醇提供单元和惰性气体提供单元相互配合提供高压水气。本专利技术的有益效果本专利技术一方面可以低成本、批量制备粒度分布、结晶度及粒子组成可控的高品质纳米Fe3O4产品。另一方面，在还原三价铁形成Fe3O4纳米晶的过程中，可氧化分解废水中部分有机物及蛋白质；制备出的纳米Fe3O4可将废水中的痕量重金属吸附在其表面，并在磁分离纳米Fe3O4产品的同时将重金属从废水中去除；制备过程中高温、高压环境可杀灭废水中致病菌。因此，经溶剂热法制备纳米Fe3O4后的淀粉废水不含重金属和致病菌，富含有机质、氮、钾(如在制备过程中加入氢氧化钾)，且部分有机物和蛋白质得到有效分解，可作为土壤改良剂或生产有机肥料的优质原料，从而实现废水的资源化利用，促进玉米深加工产业的清洁生产和可持续发展。从以下示例性实施方案的描述中，本专利技术的进一步特征将变得显而易见。附图说明图1是本专利技术基于水热法利用玉米淀粉废水合成和收集磁性四氧化三铁的工艺流程图。图2是本专利技术基于水热法利用玉米淀粉废水合成和收集磁性四氧化三铁的设备示意图。图3是磁分离器31结构正视和俯视的剖视图。图4是磁分离器31结构正视和俯视的剖视图。图5是利用玉米淀粉废水合成的纳米磁性四氧化三铁扫描电镜图。其中：阀门7、10、14、15、21、24、25、29、30、33、34水箱1快速检测器2纤维转盘式过滤器3计量泵4淀粉废液存储单元5循环泵6、11循环油加热容器8循环油冷却容器9碱储药罐12三价铁盐储药罐13搅拌器电动机16排气孔17冲洗喷口18搅拌器19反应釜20离心泵22储气罐(氮气)23反冲水槽26超声发生器27水位探头28高梯度磁分离器31清洗液罐(甲醇)32真空干燥器35余料回收槽36中控台37温度感应探头38自动调压器39反应釜夹层40纳米粒子污水进口3-1清水、甲醇进口3-2高压喷头3-3北极3-4水位探头3-5磁回路3-6超声发生器3-7激磁线圈3-8南极3-9污水出口3-10甲醇混合纳米粒子出口3-11轭铁3-12基质3-13具体实施方式以下对本公开的一个实施方式具体地说明，但本公开并非限定于此。本专利技术研发了一种基于溶剂热法，以玉米淀粉废水中的氨基酸、蛋白质和糖类代替乙二醇、聚乙二醇、醋酸钠等化学试剂作为溶剂和稳定剂，在淀粉废水中加入碱(氢氧化钾、氢氧化钠或氨水)和三价铁盐(硫酸铁或氯化铁)制备纳米Fe3O4的方法，并设计了可用于批量生产的工艺和装置。淀粉废水主要来源为以玉米为原料生产淀粉时，废水主要来源于玉米浸泡、胚芽分离与洗涤、纤维洗涤、浮选浓缩、蛋白压滤等工段蛋白回收后的排水，以及玉米浸泡水资源回收时产生的蒸发冷凝水的混合废水。淀粉深加工成其他产品，废水主要来源于离子交换柱冲洗水、各种设备的冲洗水和洗涤水等产生的总废水都满足要求。对碱无特别限制，优选价格低廉、易获取、对动植物无害并且能起到良好中和有机酸的碱类，若添加元素能被植物吸收。对三价铁盐无特别限制，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：在淀粉废水中加入碱和三价铁盐进行反应的步骤。

【技术特征摘要】
1.一种制备磁性纳米四氧化三铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：在淀粉废水中加入碱和三价铁盐进行反应的步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碱选自氢氧化钾、氢氧化钠或氨水中的任一种，三价铁盐来自硫酸铁或氯化铁、氧化铁中的任一种及其组合。3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中反应温度控制在180～220℃。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，Fe3+/OH—的摩尔比为1/3.0～1/3.5。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，当淀粉废水COD在2800时，每40ml废水加入Fe3+的量为1.3mmol(毫摩尔)～2.0mmol；当废水COD在2800～20000时，加入的Fe3+的物质的量与COD对应成正比。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，进一步包括以下步骤：磁分离步骤；清洗步骤；干燥步骤。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，磁分离步骤采用高梯度磁分离器；清洗步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李广柱，蒲启坤，时旭，
申请(专利权)人：长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林,22