一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附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氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料及其制备方法和应用，本发明专利技术的制备方法，先通过正硅酸乙酯(TEOS)为硅源在碱性条件下水解制备主体球状二氧化硅，然后通过假晶转变反应将其变成球状介孔二氧化硅以增大其比表面积，最后将氨基与Fe(III)接枝在其表面，即制备出氨基和Fe(III)双功能化的球状介孔二氧化硅复合材料，本发明专利技术中所得氨基和Fe(III)双功能化的球状介孔二氧化硅复合材料在吸附水中As(V)的过程中，只需1min，即能够实现99.24％以上的As(V)的吸附，吸附速度远远高于现有技术中的二氧化硅吸附材料。

【技术实现步骤摘要】
一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料及其制备方法和应用
本专利技术属于吸附材料制备
，具体涉及一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料及其制备方法和应用。
技术介绍
砷(As)是一种有毒有害的元素，广泛分布于水体之中。世界多国，如中国、美国、日本等，都出现过不同程度的饮用水砷污染问题(BissenM,FrimmelFH.Arsenic–aReview.PartI:Occurrence,Toxicity,Speciation,Mobility[J].Actahydrochimicaethydrobiologica,2003,31(1):9-18)。长期饮用含砷的水，会对人的神经系统、心血管、胃肠道和呼吸系统等产生不利影响，甚至诱发癌变。因此研究高效快速且经济的除砷技术具有较大的现实意义。与其他方法相比，吸附法具有操作简单、费用较低、废物易于处理等优点，因而备受关注。Fe(III)对砷具有高亲和性，易与砷络合形成配合物，因此铁基吸附材料在除砷领域使用较为广泛。但铁基吸附剂通常吸附较慢，需要几个小时才能达到较好的去除效果。因此发展高效快速的除砷材料成为亟待解决的问题。球状二氧化硅性质稳定、粒径可调且表面具有较多的硅羟基便于改性，是较好的吸附材料。经假晶转变后球状二氧化硅变成多孔材料，比表面积增大，更利于吸附。然而硅羟基对砷吸附能力较弱，通常需改性以改善其吸附性能。常见的改性方法为引入新的官能团，如氨基、巯基、硫醇等。Khdary等采用巯基对球状二氧化硅表面进行功能化，改性后吸附剂对As(III)具有较好的去除效果，且能在30分钟内达到吸附平衡(KhdaryNH,GassimAEH,HowardAG,SakthivelTS,SealS.Synthesisandmodificationofmercapto-submicronscavengerforreal-timeextractionandpreconcentrationofAs(III).AnalyticalMethods2018,10,245-255)。虽然该报道中的吸附平衡时间己大幅缩短，但对于真正的工业化应用来说，还是没有达到快速的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料及其制备方法和应用，将所述吸附材料应用于吸附水体中的As(V)具有高效快速的特点。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)球状二氧化硅的制备将无水乙醇(EtOH)、氨水、正硅酸乙酯(TEOS)混合，反应、固液分离，即得球状二氧化硅；步骤(2)球状介孔二氧化硅的制备将无水乙醇(EtOH)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、H2O、NaOH混合获得混合溶液，再将步骤(1)所得球状二氧化硅加入混合溶液中，水热反应，固液分离，所得固相，进行煅烧，即得球状介孔二氧化硅；步骤(3)氨基功能化将步骤(2)所得球状介孔二氧化硅分散于有机溶剂中，然后再加入氨基丙基三甲氧基硅烷(APTES)，混合均匀后，溶剂热反应，即得氨基功能化球状介孔二氧化硅；步骤(4)Fe(III)功能化将步骤(3)所得氨基功能化球状介孔二氧化硅分散于FeCl3溶液中，搅拌反应，固液分离，即得氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅复合材料。本专利技术的制备方法，先通过正硅酸乙酯(TEOS)为硅源在碱性条件下水解制备主体球状二氧化硅，然后通过假晶转变反应将其变成球状介孔二氧化硅以增大其比表面积，最后将氨基与Fe(III)接枝在其表面，即制备出氨基和Fe(III)双功能化的球状介孔二氧化硅复合材料，本专利技术中所得氨基和Fe(III)双功能化的球状介孔二氧化硅复合材料在吸附水中As(V)的过程中，只需1min，即能够实现99.24％以上的As(V)的吸附，吸附速度远远高于现有技术中的二氧化硅吸附材料。在本专利技术中，采用的是氨基和Fe(III)双功能化，虽然说，其他的很多官能团也能够对砷有一定的吸附效果；但是无论怎么组合，从吸附所需的时间上来看，都无法达到本专利技术的吸附速度。专利技术人发现，通过本专利技术中以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源在碱性条件下水解制备球状二氧化硅表面硅羟基浓度高，后续改性后，可以保证优异的吸附效率，而如果采用其他的方法制备的球状二氧化硅，则会由于球状介孔二氧化硅表面硅羟基浓度较低，导致后续改性效果较差，吸附效率较低。另外，在Fe(III)功能化的过程中，只能采用FeCl3用为铁源，才能最终实现高效，快速的吸附，如果选择Fe(NO3)3，NO-可能与氨基反应导致改性失败；选择Fe2(SO4)3，SO42-可能产生竞争吸附，导致吸附效果下降。作为优选，步骤(1)中，所述正硅酸乙酯与无水乙醇的体积比为5–10：160。作为优选，步骤(1)中，氨水与无水乙醇的体积比为10–20：160作为优选，步骤(1)中，所述氨水中溶解NH3的质量分数为25％–28％。作为优选，步骤(1)中，所述反应在室温下、搅拌下进行，搅拌的转速为750–800rpm，反应的时间为16–24h。作为优选，步骤(1)中，所述固液分离的方式为离心，离心后所得固相采用无水乙醇洗涤，并在70–80℃下干燥至恒重，研磨成粉得球状二氧化硅。作为优选，步骤(2)中，球状二氧化硅与CTAB的摩尔比为1：0.1–0.3。球状二氧化硅与NaOH的摩尔比为1：0.3–0.6。作为优选，步骤(2)中，球状二氧化硅与H2O的摩尔比为1：500–1000。作为优选，步骤(2)中，球状二氧化硅与EtOH的摩尔比为1：50–100。作为优选，步骤(2)中，将步骤(1)所得球状二氧化硅加入混合溶液后，先于室温下搅拌20–30min，然后转移至水热反应釜中进行水热反应。进一步的优选，步骤(2)中，所述水热反应的温度为80–120℃，时间为20–30h。作为优选，步骤(2)中，所述固液分离的方式为离心，离心后所得固相采用超纯水和无水乙醇交替洗涤，并在70–80℃下干燥至恒重，研磨成粉，所得粉末进行煅烧。作为优选，步骤(2)中，所述煅烧在空气气氛中进行，煅烧的温度为500–600℃，时间为5–8h，升温速率1–20℃/min。通过煅烧去除CTAB，煅烧完成后冷却后研磨成粉，得到球状介孔二氧化硅。作为优选，步骤(3)中，所述球状介孔二氧化硅与有机溶剂的固液质量体积比为1g：80–120mL。作为优选，步骤(3)中，所述有机溶剂为无水甲苯。专利技术人发现，采用无水甲苯作为反应体系的溶剂，可以确保成功进行氨基官能化修饰，而如果选择其他的体系，比如说乙醇体系，则有可能会导致改性失败。作为优选，步骤(3)中，所述氨基丙基三甲氧基硅烷(APTES)的加入量，按质量比计，氨基丙基三甲氧基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤(1)球状二氧化硅的制备/n将无水乙醇、氨水、正硅酸乙酯混合，反应、固液分离，即得球状二氧化硅；/n步骤(2)球状介孔二氧化硅的制备/n将无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、H

【技术特征摘要】
1.一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)球状二氧化硅的制备
将无水乙醇、氨水、正硅酸乙酯混合，反应、固液分离，即得球状二氧化硅；
步骤(2)球状介孔二氧化硅的制备
将无水乙醇、十六烷基三甲基溴化铵、H2O、NaOH混合获得混合溶液，再将步骤(1)所得球状二氧化硅加入混合溶液中，水热反应，固液分离，所得固相，进行煅烧，即得球状介孔二氧化硅；
步骤(3)氨基功能化
将步骤(2)所得球状介孔二氧化硅分散于有机溶剂中，然后再加入氨基丙基三甲氧基硅烷，混合均匀后，溶剂热反应，即得氨基功能化球状介孔二氧化硅；
步骤(4)Fe(III)功能化
将步骤(3)所得氨基功能化球状介孔二氧化硅分散于FeCl3溶液中，搅拌反应，固液分离，即得氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，所述正硅酸乙酯与无水乙醇的体积比为5–10：160；
步骤(1)中，氨水与无水乙醇的体积比为10–20：160；
步骤(1)中，所述氨水中溶解NH3的质量分数为25％–28％。
步骤(1)中，所述反应在室温下、搅拌下进行，搅拌的转速为750–800rpm，反应的时间为16–24h；
步骤(1)中，所述固液分离的方式为离心，离心后所得固相采用无水乙醇洗涤，并在70–80℃下干燥至恒重，研磨成粉得球状二氧化硅。


3.根据权利要求1所述的一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中，球状二氧化硅与CTAB的摩尔比为1：0.1–0.3；球状二氧化硅与NaOH的摩尔比为1：0.3–0.6；球状二氧化硅与H2O的摩尔比为1：500–1000。
步骤(2)中，球状二氧化硅与EtOH的摩尔比为1：50–100。


4.根据权利要求1所述的一种氨基和Fe(III)双功能化球状介孔二氧化硅吸附材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)中，将步骤(1)所得球状二氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张婷，吕荣涛，高志襄，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43