一种磁性纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种磁性纳米材料及其制备方法和应用，所述磁性纳米材料包括磁核和二氧化硅壳以及在二氧化硅壳外接枝的双亲有机基团，具有粒度均一、磁响应性、双亲性、无毒、环境友好等优点，该磁性纳米颗粒生产成本低廉，制备过程无副产物产生，可以显著降低油

【技术实现步骤摘要】
一种磁性纳米材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料
，尤其涉及一种磁性纳米材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]油水乳液广泛存在于石油天然气工业、燃料化工、环境科学与资源利用等领域。以石化工业为例，在采油过程中，因天然界面活性物质的存在，常形成稳定的油包水乳液，水滴中含有的无机盐会导致储运过程中设备和管道的腐蚀结垢，并易造成炼制过程中的催化剂中毒。另一方面，含油废水的排放以及海上漏油等事故频发会产生稳定的水包油乳液，造成环境和生态污染。由此可见，油水乳液分离对于工业生产过程极为重要。化学破乳法是目前使用最广泛的一种破乳方法。常见的化学破乳剂包括烷基酚醛树脂、烷氧基胺、聚丙烯氧化物
‑
聚乙烯氧化物共聚物、两性离子聚合物及其复配物等。这些传统破乳剂在油水乳液分离中发挥了巨大的作用，然而传统破乳剂皆为一次性使用，难以回收，容易造成环境污染。因此，开发高效的绿色环保破乳剂是油水乳液破乳的重要研究方向。
[0003]磁性纳米材料不仅具有普通纳米材料的表面效应、小尺寸效应等，还具有显著的磁响应性，能够从复杂多相体系中分离回收。近年来，利用不同性质的有机或无机化合物对磁性纳米颗粒进行修饰改性后所制得的磁性纳米材料己广泛运用于存储介质、生物医药、环境科学等领域。在众多磁性纳米颗粒中，四氧化三铁磁性纳米颗粒具有低毒、稳定、价廉易得等优点，因此将四氧化三铁与功能化合物进行复合制备磁性纳米颗粒破乳剂，用于油水乳液分离。
[0004]目前，采用的功能化合物包括乙基纤维素、硅烷偶联剂、环糊精、多壁碳纳米管或氧化石墨烯等。相对于常规的化学破乳剂，磁性纳米颗粒破乳剂具有易回收循环的优点，在油水乳液分离领域展现出良好的应用前景。
[0005]磁性纳米颗粒在油水乳液分离过程中优势明显，但是随着石油工业的发展，乳液的类型、形态和结构趋于复杂，破乳的难度不断增大，应用磁性纳米颗粒进行破乳目前存在破乳效率低、破乳速度慢、破乳温度要求苛刻等问题。并且大多数磁性纳米颗粒破乳剂只能针对某一种特定的乳液，应用范围严重受限，限制其实际的推广应用。
[0006]综上，为提高磁性纳米颗粒在油水乳液分离中的破乳速度和破乳效率，降低破乳温度从而降低操作成本，提供一种具有高界面活性的磁性纳米颗粒非常关键。

技术实现思路

[0007]鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种磁性纳米材料及其制备方法和应用，所述磁性纳米颗粒同时具备良好的破乳效率以及可磁性分离的优势，不仅具有较好的磁响应性，又可以提高油水乳液破乳速度，降低破乳温度，从而降低了操作成本，具有很好的应用前景。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种磁性纳米材料，所述磁性纳米材料包括四氧化三铁磁核，所述磁核的外侧包覆有一层二氧化硅壳，所述二氧化硅壳外接枝有如式(1)所示的有机基团；
[0010][0011]式(1)中R1和R2为
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CH2‑
CH2‑
或
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CH2(CH3)CH
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，R1和R2为不同的基团，m为10～40，n为30～50。
[0012]本专利技术中所述磁性纳米材料包括具有磁性的四氧化三铁核，使纳米材料能够实现磁响应，可利用磁铁进行分离回收，解决了传统破乳剂难以回收的问题，同时该四氧化三铁磁核外侧包覆有一层二氧化硅壳以及接枝有式(1)结构的有机基团，显著提高了破乳效果。
[0013]本专利技术中m为10～40，例如可以是10、12、15、18、20、23、25、27、29、32、34、36、38或40等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0014]n为30～50，例如可以是30、33、35、37、39、42、44、46、48或50等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0015]优选地，所述磁性纳米材料的平均粒径为4～15nm，例如可以是4nm、6nm、7nm、8nm、9nm、11nm、12nm、13nm、14nm或15nm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述二氧化硅壳为如式(2)所示基团：
[0017][0018]式(2)中所述R3和R4各自独立地为O
‑
或OH。
[0019]本专利技术采用式(2)所示的二氧化硅壳，更有利于与四氧化三铁的结合以及接枝式(1)所示的有机基团。
[0020]优选地，所述磁性纳米材料的饱和磁强度≥70emu/g，例如可以是70emu/g、72emu/g、73emu/g、74emu/g、75emu/g、76emu/g、77emu/g、78emu/g、79emu/g或80emu/g等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0021]本专利技术所述磁性纳米材料具备较高的饱和磁强度，不仅能够迅速实现纳米材料的迅速分离，而且可以在磁场存在环境下加快破乳过程，促进乳液在常温环境下的破乳，降低破乳能耗。
[0022]第二方面，本专利技术提供第一方面所述磁性纳米材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0023](1)混合四氧化三铁纳米颗粒、第一有机溶剂、水和第一催化剂，加入硅源，第一反应后依次经固液分离和洗涤，得到二氧化硅壳包覆四氧化三铁纳米颗粒；
[0024](2)混合步骤(1)所述二氧化硅壳包覆四氧化三铁纳米颗粒和第二有机溶剂，加入
含环氧丙氧基的硅烷偶联剂，第二反应后依次经固液分离和洗涤，得到改性颗粒；
[0025](3)混合步骤(2)所述改性颗粒、端羟基聚醚、第二催化剂和第三有机溶剂，第三反应后依次经固液分离、洗涤和干燥，得到所述磁性纳米材料；
[0026]步骤(3)所述端羟基聚醚中含有分子结构，式中，R1和R2为
‑
CH2‑
CH2‑
或
‑
CH2(CH3)CH
‑
，R1和R2为不同的基团，m为10～40，n为30～50。
[0027]本专利技术提供的制备方法依次在四氧化三铁纳米颗粒外侧包覆二氧化硅壳，接枝硅烷和端羟基聚醚，选用R1和R2为
‑
CH2‑
CH2‑
或
‑
CH2(CH3)CH
‑
，两种不同的基团为聚醚的单体，提高磁性纳米材料的两亲性能，最终能够更好地提高破乳效果。
[0028]本专利技术中，m为10～40，例如可以是10、12、15、18、20、23、25、27、29、32、34、36、38或40等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0029]n为30～50，例如可以是30、33、35、37、39、42、44、46、48或50等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
[0030]优选地，步骤(1)中所述四氧化三铁纳米颗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性纳米材料，其特征在于，所述磁性纳米材料包括四氧化三铁的磁核，所述磁核的外侧包覆有一层二氧化硅壳，所述二氧化硅壳外接枝有如式(1)所示的有机基团；式(1)中R1和R2为
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CH2‑
CH2‑
或
‑
CH2(CH3)CH
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，R1和R2为不同的基团，m为10～40，n为30～50。2.根据权利要求1所述的磁性纳米材料，其特征在于，所述磁性纳米材料的平均粒径为4～15nm；优选地，所述磁性纳米材料的饱和磁强度≥70emu/g。3.根据权利要求1或2所述的磁性纳米材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)混合四氧化三铁纳米颗粒、第一有机溶剂、水和第一催化剂，加入硅源，第一反应后依次经固液分离和洗涤，得到二氧化硅壳包覆四氧化三铁纳米颗粒；(2)混合步骤(1)所述二氧化硅壳包覆四氧化三铁纳米颗粒和第二有机溶剂，加入含环氧丙氧基的硅烷偶联剂，第二反应后依次经固液分离和洗涤，得到改性颗粒；(3)混合步骤(2)所述改性颗粒、端羟基聚醚、第二催化剂和第三有机溶剂，第三反应后依次经固液分离、洗涤和干燥，得到所述磁性纳米材料；步骤(3)所述端羟基聚醚中含有分子结构，式中，R1和R2为
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CH2‑
CH2‑
或
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CH2(CH3)CH
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，R1和R2为不同的基团，m为10～40，n为30～50。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述四氧化三铁纳米颗粒的制备方法包括：向含二价铁盐和三价铁盐的前驱体溶液中加入沉淀剂，沉淀反应后依次经固液分离和洗涤，得到四氧化三铁纳米颗粒；优选地，所述沉淀反应的温度为40～80℃；优选地，所述沉淀反应在保护气氛下进行；优选地，所述沉淀剂采用滴加的方式加入；优选地，所述沉淀反应的时间为15～60min；优选地，所述沉淀反应后溶液的pH为9～11。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述二价铁盐和三价铁盐的摩尔比为1～3:1；优选地，所述三价铁盐为FeCl3·
6H2O和/或Fe2(SO4)3；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：何林，周泾径，隋红，李鑫钢，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：