一种磁分离型复合吸附材料及其制备方法

专利名称：一种磁分离型复合吸附材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料领域，更具体涉及一种磁分离型复合吸附材料及其制备方法。
背景技术：
铁氧化物是很常见的催化剂或载体，也常用于水中各种无机和有机污染物的清除 与回收，还是被研究最广的传感器材料，如湿敏、温敏、气敏材料，其微波和光学吸收效果也 很好。铁氧化物中的Fe3O4是一种具有典型反尖晶石结构的铁氧体材料，表现出特殊的电、 磁、催化等性能。而且Fe3O4与环境和生物体的兼容性良好，这些优点促使人们尝试将其与 别的无机、有机或生物材料复合以获得多组分催化剂或载体、可磁回收型环保催化剂、低生 物毒性医用靶向材料、有机磁性材料等多功能复合材料。但迄今为止，Fe3O4纳米材料仍主要通过Massart共沉淀法和化学氧化法在水相 体系中合成，这两种水相反应体系均难以避免会生成少量水合铁氧化物并附着在Fe304纳 米晶表面，降低了粒子表面能，且Fe3O4自身有铁磁性，又易被氧化，所以合成的纳米晶极易 团聚。况且合成过程对溶液温度、PH值等要求严苛。与传统合成法相比铁氧化物的有机溶 剂热合成法拥有诸多优势如高效，溶剂热反应多在10(T30(TC低温范围内进行，能耗少， 产率高，而且反应基本为“一锅煮”，产物分离简便；高质量，在溶剂热体系中可容易地合成 高纯度，形貌均一，尺寸可调的纳米材料，为应用奠定了基石；高晶化程度，溶剂热合成的铁 氧化物不需后处理即为高度晶化的纳米材料；Fe3O4在有机溶剂中溶解度极低，有利于产物 晶化以及微观形貌控制。因此，近年通过低温溶剂热反应合成纳米Fe3O4材料受到青睐，如 Yasuhiro等通过Fe (III)的ClO叔碳酸络合盐在ClO叔碳酸中热解还原合成了 100 nm的 高度晶化单分散Fe3O4纳米晶；Pirma组和Kominami组分别用Fe (acac) 3的苄醇及丙醇 溶液溶剂热获得10 nm大小的Fe3O4纳米粒子，这些纳米粒子在催化等实际应用中，仍需将 其负载于某种基体上，为此常通过烧结等方法使之牢固附着，但这些过程多会存在活性位 减少、颗粒团聚等负面效应。如果能将Fe3O4 —次性合成在载体表面，则可克服上述缺点，但 运用溶剂热法一步将Fe3O4纳米材料负载化的研究还鲜有报道。另外，现有铁氧化物的溶剂 热合成体系因为太强调其可控性等，体系设计均较复杂，致使体系中过渡物种及副产物种 类繁多，为后续反应机理分析、溶剂回收和废液处理等带来诸多困难，而且所用溶剂及各类 助剂均不常见并且价格昂贵，无法满足实际生产及大规模应用的需求。

发明内容
本发明针对上述应用背景及现有合成手段的突出缺陷，利用常规有机溶剂为反应 介质并通过简单的低温溶剂热体系控制合成铁氧化物纳米复合纤维材料，该类复合材料可 作为磁分离型吸附材料用于废水中有机或无机污染物的吸附净化。一种磁分离型复合吸附材料，由纳米Fe3O4与活性炭纤维组成。一种磁分离型复合吸附材料的制备方法的具体步骤为1)活性炭纤维预处理
活性炭纤维ACF为直接购买的PAN聚丙烯腈基、工业用活性炭纤维毡成品。先将炭毡 裁剪为5 X 15 cm的小块，然后用60-75%浓硝酸浸渍，以浸没ACF为准，密封静置12h_48h， 取出用去离子水淋洗至pH值6-7，再于100-200°C的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保
存备用。2)纳米Fe3O4与ACF纤维复合材料的一步溶剂热合成
准确称取l_4g乙酰丙酮铁放入150-500mL的彻底干燥过的带塞锥形瓶中，用量筒量取 50-150ml有机溶剂加入其中，密封、超声分散5 45 min,制得纳米Fe304。取步骤1)处理 后的l-2gACF浸入已配制好的溶液中，密封，超声脱气45—120min，然后移入带有聚四氟乙 烯内衬的高压反应釜中进行中，压力为2. 2MPa，氮气吹扫后以5°C /min升温至160_220°C并 保温18-36h，保温结束后自然冷却至室温。随即取出釜中载有铁氧化物的ACF，抽滤，并用 无水乙醇充分淋洗以除去残留反应物和其它有机副产物，洗涤干净的产品放置于60°C真 空干燥箱中，干燥5h，最后保存于真空保干器中，既得成品。有机溶剂应具备较强极性和高的介电常数，具有还原性的有机溶剂，可为乙醇、异 丙醇、N，N- 二甲基甲酰胺或丙酮。该复合材料为磁分离型吸附材料。本发明的显著优点在于
(1)利用常规有机溶剂(低分子量醇如乙醇)与工业级有机铁盐经简单溶剂热反应合成 晶粒小、晶化度高、分散性好的Fe3O4纳米晶。同时，简化反应体系并降低合成成本，为溶剂 热法合成高性能纳米材料的实用化提供借鉴。(2)活性炭纤维(ACF)的引入开创了将溶剂热法应用于高性能复合纳米材料设 计、合成的新途径，特别是不同形态炭质材料表面原位生长及氧化物负载的一步法新工艺。(3) ACF表面原位生长Fe3O4纳米晶可赋予其良好的外磁场反应能力，可用于液相 溶液体系内的ACF吸附材料的快速和高效分离。(4)该复合纳米材料(Fe3O4 /ACF)的制备方法简单易行，获得的复合材料仍保留 ACF的发达微孔结构和较大孔容，是理想的吸附净化材料且容易实现规模化生产。(5) ACF表面负载Fe3O4的量可由反应温度方便控制。


图1 无水乙醇溶剂热体系所合成复合物Fe3O4 /ACF的XRD谱图2 无水乙醇溶剂热体系(160°C)所合成复合物场发射扫描电镜(FESEM)图。图3 本发明各复合样品的孔结构参数及比表面积；
图4-1 =Fe3O4ACF复合材料的磁性与吸附性能展示一亚甲基蓝溶液； 图4-2 =Fe3O4ACF复合材料的磁性与吸附性能展示一放入经研磨粉碎的Fe304/ACF ； 图4-3 =Fe3O4ACF复合材料的磁性与吸附性能展示一 15min后，用磁铁吸引； 图4-4 =Fe3O4ACF复合材料的磁性与吸附性能展示一30min后，溶液基本为无色。
具体实施例方式本发明的制备步骤如下 1. 活性炭纤维预处理
4活性炭纤维(ACF)为直接购买的PAN (聚丙烯腈)基、厚1. 5mm的工业用活性炭纤维毡 成品，比表面积1402m2/g。先将炭毡裁剪为5X15 cm的小块，然后用一定体积的67%浓硝 酸浸渍(以浸没ACF为准)，密封静置12h以上，取出用去离子水淋洗至pH值6.5，再于150°C 的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保存备用。2. 纳米Fe3O4与ACF纤维复合材料的一步溶剂热合成
准确称取1. 25g Fe (acac) 3 (乙酰丙酮铁)放入150ml的彻底干燥过的带塞锥形瓶中， 用量筒准确量取70 ml有机溶剂加入其中，密封、超声分散5 45 min (视溶解情况而定，以 得到清澈均勻的溶液为佳)。取预处理好的约1.0 g (约5X 15 X0. 15cm) ACF浸入已配制 好的溶液中，密封超声脱气45 min，然后移入高压反应釜中，氮气吹扫后以5°C/min升温 至160-220°C，并保温18-36h，保温结束后自然冷却至室温。随即取出釜中载有铁氧化物的 ACF，用无水乙醇在抽滤的同时充分淋洗以除去残留反应物和其它有机副产物，洗涤干净的 产品放置于60°C真空干燥箱中干燥5h，最后保存于真空保干器中，为最终Fe304/ACF复 合样品。以下是本发明的几个实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。实施例1
(1)以乙醇为溶剂通过溶剂热原位还原反应制备纳米Fe304与ACF的复合纤维吸附材
料
其合成步骤等同于上述发明具体实施方式
内的制备步骤，以乙醇充当有机溶剂，反应 温度分别为160°C和190°C。如图1的XRD谱图，两个温度下合成的产品中氧化物的成份均 为Fe304，而且晶相完善良好。但是从XRD谱图可知160°C下的产物负载量远少于190°C时 的样品。FE-18-160 (160°C反应18h后获得的复合物样品)和FE-18-190 (190°C反应18h 后获得的复合物样品)中氧化物晶相的粒径分别估算为18. 2 nm和17. 1 nm。FE-18-160的 FESEM图像(图2)中纤维表面附着的氧化物颗粒层分布(图2a)均勻，但氧化物层较薄且未 完全包覆纤维，另外可清晰辨识(图2b)包覆层表层偶尔出现的较大颗粒表面颗粒感明显， 实为多个小粒子的松散结合体。通过对颗粒大小的统计分析，可知粒径范围在1Γ30 nm之 间，最可几粒径约为20 nm,这与XRD分析较为吻合，表明负载的Fe304纳米粒子是近单分散 晶粒。当反应温度为190°C时，Fe304粒子更均勻，较大的颗粒更少，粒径统计显示粒子 在13 22 nm之间，最可几大小为17 nm左右，与XRD估算结果吻合。温度越高负载量越大， 这与反应速度以及传质等都有关。负载的氧化物粒径小而均勻，分散度高，晶化度高。(2)以异丙醇为溶剂通过溶剂热原位还原反应制备纳米Fe304与ACF的复合纤维 吸附材料
其合成步骤等同于上述发明具体实施方式
内的制备步骤，以异丙醇充当有机溶剂，反 应温度为190°C，反应时间18h，复合产物(FP-18-190)经XRD及FESEM测试，结果表明所 负载氧化物为高度晶化的纯相Fe304纳米晶，XRD估算晶粒大小为18. 7 nm ；纤维表面粒子 附着均勻，颗粒轮廓清晰，粒径统计范围为14 28 nm之间，最可几粒径约21 nm，与XRD结果 接近，表明颗粒为单晶整个复合产品柔韧性好，结构强度较高，能够适合各种应用领域。(3)以DMF (N，N_ 二甲基甲酰胺)为溶剂通过溶剂热原位还原反应制备纳米Fe304 与ACF的复合纤维吸附材料其合成步骤等同于上述发明具体实施方式
内的制备步骤，以DMF充当有机溶剂，1900C 下反应18h能够合成较纯的Fe304纳米晶，复合产物(FD-18-190)经XRD及FESEM测试，结 果表明所负载的氧化物确为Fe304，而且结晶良好，粒径估算为21 nm;电镜结果显示纤维 表面生长着许多几十到几百纳米不等的大颗粒，这些大颗粒是由许多20 nm左右的颗粒聚 集而成。纤维表面也覆盖了一层相似大小的纳米粒子，说明反应过程中先在纤维表面均勻 生长一层粒子，后续生长的粒子由于溶剂与纤维的相互作用被阻隔而开始聚集生长，最终 形成上述织构。(4)复合产物比表面及孔隙分析
由表1，通过低温N2吸附的吸脱附等温线计算各产物的BET比表面积和各种孔的分布 状态，表明复合产物的总孔容积比原活性炭纤维有一定程度的下降，但仍拥有相当高的比 表面积和孔隙率，而且表面纳米粒子堆积使复合样品中大的中孔和大孔比原ACF都有所增 加，加之磁功能特性(如图7)，使其在磁分离型吸附材料用于废水中有机或无机污染物的吸 附净化方面具极佳的应用优势。由于纤维炭材料在应用过程中不同程度的存在破损和脱 落问题，而经本方法的功能性复合物设计后，可利用外界磁场方便捕集和分离脱落物(如图 7)。实施例2
一种磁分离型复合吸附材料的制备方法的具体步骤为 1)活性炭纤维预处理
用75%浓硝酸浸渍活性炭纤维ACF，以浸没ACF为准，密封静置48h，取出用去离子水淋 洗至PH值6，再于100°C的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保存备用。2)纳米Fe3O4与ACF纤维复合材料的一步溶剂热合成
准确称取4g乙酰丙酮铁放入500mL的彻底干燥过的带塞锥形瓶中，用量筒量取150ml 丙酮加入其中，密封、超声分散45 min,制得纳米Fe304。取步骤1)处理后的2gACF浸入已 配制好的溶液中，密封，超声脱气120min，然后移入带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进 行中，氮气吹扫后以5°C /min升温至220°C并保温36h，保温结束后自然冷却至室温。随即 取出釜中载有铁氧化物的ACF，抽滤，并用无水乙醇充分淋洗以除去残留反应物和其它有机 副产物，洗涤干净的产品放置于60°C真空干燥箱中，干燥8h，最后保存于真空保干器中， 既得成品。实施例3
一种磁分离型复合吸附材料的制备方法的具体步骤为 1)活性炭纤维预处理
活性炭纤维ACF为直接购买的PAN聚丙烯腈基、工业用活性炭纤维毡成品。先将炭毡 裁剪为5X15 cm的小块，然后用60%浓硝酸浸渍，以浸没ACF为准，密封静置36h，取出用 去离子水淋洗至PH值7，再于200°C的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保存备用。2)纳米Fe3O4与ACF纤维复合材料的一步溶剂热合成
准确称取Ig乙酰丙酮铁放入带塞锥形瓶中，用量筒量取50ml N，N-二甲基甲酰胺加入 其中，密封、超声分散5 min,制得纳米Fe304。取步骤1)处理后的1. 2gACF浸入已配制好的 溶液中，密封，超声脱气45min，然后移入带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行中，氮气 吹扫后以5°C/min升温至160°C并保温24h，保温结束后自然冷却至室温。随即取出釜中载有铁氧化物的ACF，抽滤，并用无水乙醇充分淋洗以除去残留反应物和其它有机副产物，洗 涤干净的产品放置于60°C真空干燥箱中，干燥4h，最后保存于真空保干器中，既得成品。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
一种磁分离型复合吸附材料，其特征在于该材料由纳米Fe3O4 与活性炭纤维组成。
2.如权利要求1所述的一种磁分离型复合吸附材料，其特征在于纳米Fe3O4的制备方 法如下准确称取l_4g乙酰丙酮铁放入彻底干燥过的带塞锥形瓶中，用量筒量取50-150ml有 机溶剂加入其中，密封、超声分散5 45 min,制得纳米Fe304。
3.如权利要求1所述的一种磁分离型复合吸附材料，其特征在于活性炭纤维的加工 方法如下活性炭纤维ACF为直接购买的聚丙烯腈基工业用活性炭纤维毡成品，先将炭毡裁剪为 5X15 cm的小块，然后用60-75%浓硝酸浸渍，以浸没ACF为准，密封静置12h_48h，取出用 去离子水淋洗至PH值6-7，再于100-200°C的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保存备用。
4.一种磁分离型复合吸附材料的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤为1)活性炭纤维预处理活性炭纤维ACF为直接购买的PAN聚丙烯腈基、工业用活性炭纤维毡成品。先将炭毡 裁剪为5 X 15 cm的小块，然后用60-75%浓硝酸浸渍，以浸没ACF为准，密封静置12h_48h， 取出用去离子水淋洗至pH值6-7，再于100-200°C的烘箱中彻底烘干，放于120°C烘箱中保存备用。2)纳米Fe3O4与ACF纤维复合材料的一步溶剂热合成准确称取l_4g乙酰丙酮铁放入彻底干燥过的带塞锥形瓶中，用量筒量取50-150ml有 机溶剂加入其中，密封、超声分散5 45 min,制得纳米Fe304。取步骤1)处理后的l_2gACF 浸入已配制好的溶液中，密封，超声脱气45—120min，然后移入带有聚四氟乙烯内衬的高压 反应釜中进行中，压力为2. 2MPa，氮气吹扫后以5°C /min升温至160_220°C并保温18_36h， 保温结束后自然冷却至室温。随即取出釜中载有铁氧化物的ACF，抽滤，并用无水乙醇充分 淋洗以除去残留反应物和其它有机副产物，洗涤干净的产品放置于60°C真空干燥箱中，干 燥4-8h，最后保存于真空保干器中，既得成品。
5.如权利要求4所述的一种磁分离型复合吸附材料的制备方法，其特征在于所述有 机溶剂为具备还原性的有机溶剂。
6.如权利要求4所述的一种磁分离型复合吸附材料的制备方法，其特征在于所述有 机溶剂为乙醇、异丙醇、N，N-二甲基甲酰胺或丙酮。
7.如权利要求1，4所述的一种磁分离型复合吸附材料，其特征在于该复合材料为磁 分离型吸附材料。
全文摘要
一种磁分离型复合吸附材料，由纳米Fe3O4与活性炭纤维组成。该材料为利用常规有机溶剂为反应介质并通过简单的低温溶剂热体系控制合成铁氧化物纳米复合纤维材料。可作为磁分离型吸附材料用于废水中有机或无机污染物的吸附净化。
文档编号B01J20/30GK101940910SQ20101051570
公开日2011年1月12日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者付贤智, 刘平, 吴棱, 员汝胜, 戴文新, 李朝晖, 王占义, 王绪绪, 陈旬 申请人:福州大学