用于污水处理的包覆型磁性纳米复合材料及其制备和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于污水处理和磁性纳米材料技术领域，涉及一种用于污水处理的磁性纳米复合材料及其制备和应用。
【背景技术】
[0002]目如，磁性铁/碳复合材料由于具有尚效、低成本以及易回收等特点，被广泛的应用于工业废水处理中。例如:以活性碳为载体的负载型磁性铁的氧化物复合型材料，已广泛的应用于吸附工艺中；随着非均相芬顿反应催化剂研究的进行，一些铁/碳复合型催化剂也渐渐地应用于高级氧化工艺中。
[0003]现有的铁/碳复合材料，一般都是将磁性颗粒负载在载体表面上，磁性颗粒不仅易脱落，造成二次污染，堆积在池底的载体也会形成淤泥，堵塞设备，而且像活性碳、碳纤维这些比表面积较小的传统碳载体，已无法满足当今水体污染物净化的要求。
[0004]因此，目前存在的问题是需要研究开发一种能够显著提高磁性颗粒的稳定性，具有较强的吸附能力，且能有效降解有机污染物的磁性复合材料。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于污水处理的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料。纳米复合材料能够显著提高磁性颗粒的稳定性，具有较强的吸附能力，且能有效降解有机污染物，可用于工业废水处理。
[0006]为此，本发明第一方面提供了一种用于污水处理的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料，其包括介孔碳以及包覆于介孔碳孔道内的磁性氧化铁纳米粒子，其中，所述磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料的比表面积为500-1200平方米/克。
[0007]根据本发明，在所述磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料中，磁性铁氧化物的质量含量为0.5%-40%。所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为0.5-70纳米。优选所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为0.5-50纳米。更为优选的，所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为2-10纳米。所述介孔碳的比表面积在800-1500平方米/克。
[0008]本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的纳米复合材料的制备方法，其包括:
[0009]步骤A，将无机铁盐溶于水和乙醇的混合液中，配制成铁离子溶液；
[0010]步骤B，将铁离子溶液与介孔碳粉末混合，搅拌均匀后，干燥，制得磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I;
[0011 ]步骤C，在氨存在条件下，将磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I进行水解反应，然后干燥，制得磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体Π;
[0012]步骤D，将磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体Π在无氧条件下进行煅烧，制得磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料。
[0013]在本发明的一些实施例中，在步骤B中，搅拌的时间为3-20小时。优选搅拌的时间为12小时。所述干燥的温度为0-80°C。优选所述干燥的温度为50°C。
[0014]在本发明的另一些实施例中，在步骤C中，所述水解反应的温度为40_80°C。优选水解反应的温度60°C。所述水解反应的时间为1-6小时。所述干燥的温度为40-80°C。优选所述干燥的温度为50°C。
[0015]在本发明又一些实施例中，在步骤D中，所述煅烧的温度为100-1000°C。所述煅烧的时间为1-10小时。
[0016]根据本发明的一个实施例，在步骤A中，在所述混合溶液中，水与乙醇的体积比为1:1。
[0017]根据本发明，在步骤B中，以铁离子溶液的体积计的介孔碳的量为4:1。
[0018]根据本发明，在铁离子溶液中，无机铁盐的浓度为0.1-1摩尔/升。
[0019]在本发明的一些实施例中，所述无机铁盐包括硝酸铁、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁和硫酸亚铁中的至少一种。优选所述无机铁盐为硝酸铁。
[0020]根据本发明，在步骤C中，以氨水的体积计磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I的量为50:1。
[0021]本发明第三方面提供了如本发明第一方面所述的纳米复合材料或如本发明第二方面所述的方法制备的纳米复合材料在工业废水处理中的应用。
[0022]本发明中，优选所述工业废水中的污染物包括亚甲基蓝、甲基橙、刚果红、罗丹明、苯酚、砷、铅和汞中的至少一种。更为优选的所述工业废水中的污染物为甲基橙。
【附图说明】
[0023]下面将结合附图来说明本发明。
[0024]图1是本发明实施例1中制备的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料的透射电镜(TEM)图。
[0025]图2是图1的放大图。
[0026]图3是本发明实施例1中制备的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料的X射线衍射(XRD)图。
[0027]图4是本发明实施例2中亚甲基蓝在实施例1中制备的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料作用下的降解效率图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例仅起到说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
[0029]本发明采用以下【具体实施方式】来实现本发明:
[0030]在本发明的一个【具体实施方式】中，本发明涉及一种用于污水处理的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料，其为包覆型磁性铁氧化物@介孔碳纳米复合材料;其包括作为载体的介孔碳以及包覆于介孔碳孔道内的磁性铁氧化物纳米粒子，其中，所述磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料的比表面积为500-1200平方米/克。
[0031]本发明中，优选具有较高比表面积和较高孔体积的介孔碳作为载体，例如，可以选择高比面积、高孔积的介孔碳CMK-3，其比表面积在800-1500平方米/克。
[0032]在所述磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料中，磁性铁氧化物的质量含量为
0.5%-40%。所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为0.5-70纳米。优选所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为0.5-50纳米。更为优选的，所述磁性铁氧化物纳米粒子的粒径为2-10纳米。
[0033]在本发明的另一个【具体实施方式】中，本发明涉及一种用于污水处理的磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料的制备方法，其包括以下步骤:
[0034](I)将无机铁盐溶于水和乙醇的混合液中，配制成铁离子溶液;在铁离子溶液中，所述铁无机盐溶液的浓度范围为0.1-1摩尔/升;在所述混合溶液中，水与乙醇的体积比为1:1。
[0035](2)将铁离子溶液浸入到介孔碳粉末(例如介孔碳CMK_3)(或者将介孔碳粉末加入铁离子溶液中)，搅拌分散3-20小时，优选搅拌分散12小时后，在烘箱中0-80°C，优选50°C干燥，制得磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I。
[0036](3)将磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I随容器放在盛有氨水的玻璃瓶中，磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体I不与氨水接触，将玻璃瓶放在烘箱中，在40-80°C，优选60°C下保持1-6小时进行水解反应，随即将水解反应后的产物(含Fe(OH)x配合物)放在烘箱中，在40-80°C下，优选在50°C下干燥12小时，制得粉末状磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体Π。
[0037](4)将粉末状磁性铁氧化物/介孔碳纳米复合材料前体Π用瓷舟装载，放入通有惰性气体，例如氩气的管式