去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe₂O₄磁性复合材料及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe₂O₄磁性复合材料及其制备方法和应用的制作方法
去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe2O4磁性复合材料及其制备 方法和应用技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种用于吸附饮用水中丹宁酸的竹炭-铁 酸铜(BC-CuFe2O4)磁性复合材料及其制备方法和应用。
背景技术：
丹宁酸是自然界中典型的可溶性有机物(D0M)，其分子结构与腐殖酸相似，以多元 苯环为骨架，分子中含有羟基、羧基等官能团，其多酚羟基的结构赋予它独特的化学特性和 生理活性。它既是一种强固定剂，能固定许多蛋白质以及糖类衍生物，又是一种媒染剂，能 增强对某些重金属的吸收。有研究表明，丹宁酸具有抗炎症作用，但也是大骨节病的致病因 素之一，在饮用水氯消毒过程中可与氯结合后最终生成三氯甲烷类(THMs)强致癌物质。随 着丹宁酸在日化、医药、食品行业中广泛应用，丹宁酸废水排入到环境中会带来一系列的水 环境生态问题。因此，丹宁酸已成为饮用水安全控制对象，高效去除饮用水中丹宁酸对于饮 用水安全控制意义重大。
目前，常用的去除水体中丹宁酸的技术有混凝沉淀法、氧化法、吸附法、电化学法、 膜蒸馏法和生物法等。随着合成技术的发展，吸附法因其处理速度快、效率高等优势，被广 泛用于去除饮用水中难以降解的有机污染物。很多学者对吸附法去除水体中的丹宁酸进 行了研究，如王津南等曾在《高分子学报》2010年第I期96-101页系统研究了氨基修饰超 高交联树脂对丹宁酸的吸附行为，其饱和吸附量为24. 43mg/g，但难以满足对饮用水中众多 有机污染物酚类物质的控制要求。黄健花等曾在《林产化学与工业》2011年第31卷第3 期50-54页中利用十八烷基三甲基氯化铵改性凹凸棒土吸附丹宁酸，其饱和吸附量能达到 190mg/g。这些对于丹宁酸的吸附去除研究大都依靠吸附剂的密集孔结构、高比表面积等特 性，或通过表面各种活性基团与吸附剂形成各种化学键，最终达到具有吸附丹宁酸的目的。 然而，吸附量较低或成本较高是制约此类吸附剂在去除饮用水中丹宁酸应用中的主要制约 因素。因此，寻求高效、廉价的新型吸附剂对于去除饮用水中丹宁酸意义重大。
天然多孔材料——竹炭(BC)具有比表面积大、孔隙率高，是一种良好的多孔吸附 剂，广泛用于工业、农业、电子、医疗卫生、环境保护等领域。但由于竹炭为弱极性物质，去除 饮用水中丹宁酸的能力较弱。为改善其吸附能力，本发明采用化学共沉淀法，将具有磁性的 铁酸铜(CuFe2O4)与竹炭进行复合改性，以增加竹炭表面酸碱官能团的种类及数量，从而提 高竹炭对丹宁酸的吸附能力。同时，制得的竹炭-铁酸铜复合物具有良好的磁性，可方便地 利用磁分离法回收。发明内容
本发明的目的是针对饮用水中丹宁酸的去除而提供一种不仅具有较强吸附性能 还具有磁性的新型吸附材料——竹炭-铁酸铜复合物。为改善竹炭吸附能力，本发明采用 化学共沉淀法，将具有磁性的铁酸铜(CuFe2O4)与竹炭进行复合改性，以增加竹炭表面酸碱官能团的种类及数量，从而提高竹炭对丹宁酸的吸附能力。同时，制得的竹炭-铁酸铜复合物具有良好的磁性，可方便地利用磁分离法回收。
本发明一种用于去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe2O4磁性复合材料，其特征在于是竹炭-铁酸铜复合物，是将竹炭制成粉末，与通过化学共沉淀法制得的铁酸铜进行复合反应而得到。
本发明的制备方法是将市购粒径为10_20mm的竹炭颗粒制备成粉末，然后与通过化学沉淀法制得的铁酸铜进行复合反应，获得既有吸附功能又有磁性的新型复合吸附材料。
本发明具体制备方法如下
(I)竹炭预处理将竹炭用蒸馏水煮沸，去除竹炭表面附着的粉尘及其它残留物， 经过滤后烘干，再将粒径为10-20mm的干燥竹炭颗粒用球磨机磨成粒径小于80目的粉末状备用;
(2)竹炭-铁酸铜复合物的制备通过化学共沉淀法制备铁酸铜，CuSO4 · 5H20与 Fe2(SO4)3的摩尔比为1:1，后加入竹炭粉，使其与铁酸铜的质量比为1:2，进行复合反应，即得到竹炭-铁酸铜复合物BC-CuFe2O4。
步骤(2 )具体是称取一定量的CuSO4 · 5H20和Fe2 (SO4) 3放入锥形瓶中，使得 n (CuSO4 · 5H20) n (Fe2 (SO4) 3) =1: 1，加150mL超纯水后置于磁力搅拌器使之充分溶解，后加入竹炭粉，使其与铁酸铜的质量比为1: 2，快速搅拌，滴加4mol/L的NaOH溶液使得悬浮液的pH为11，继续搅拌30min ;然后在95°C的水浴温度中静置陈化120min，取出冷却后倒掉上层清夜，抽滤，并反复用蒸馏水洗涤至中性，所得固体在105°C下烘干，即得到竹炭-铁酸铜复合物BC-CuFe2O4。
本发明中所述竹炭为市购，通常粒径为10-20mm,最小孔径为Inm,比表面积约为 200m2/g。
本发明还公开了所述磁性复合材料用于去除饮用水中丹宁酸的方法，是将竹炭-铁酸铜复合物，采用吸附法处理饮用水中的丹宁酸；水溶液在中性以及弱酸性条件下， 往50mL具塞聚丙烯管中投加20mg竹炭-铁酸铜复合物吸附剂，吸附时间为140min时可达到去除丹宁酸的最佳静态吸附效果。
吸附实验在一系列50mL具塞聚丙烯管中，分别加入一定量的BC-CuFe2O4和50mL 含初始浓度为100mg/L的丹宁酸溶液，其含丹宁酸溶液的离子强度为O.1moVLNaNO30将管中溶液混勻后，固定在25± I°C的恒温振荡培养箱中以150r/min转速进行振荡，1440min 后取出并迅速用孔径为O. 22 μ m的针式滤器PES-聚醚砜膜过滤。最后利用分光光度法在 277nm波长下测定吸光度并计算滤液中丹宁酸的浓度。
本发明的机理本发明利用化学共沉淀法，将Fe3+与二价金属Cu2+在碱性条件进行反应，制得铁酸铜悬浮液，此配位化合物中的Fe的存在价态为+3价，Fe02_以阴离子形式存在。再利用直接复合法，在碱性条件下，铁酸铜进入竹炭孔内进行混合反应生成 BC-Cu Fe2O4,并包覆在竹炭孔径的内外表面。
Cu2++2Fe3++80r — Cu (FeO2) 2+4H20
产物BC-CuFe2O4中含有大量Fe3+，而Fe3+与丹宁酸反应生成黑色的丹宁酸铁络合物，同时可能存在BC-CuFe2O4在反应中的载体催化作用，最终使水体中丹宁酸得以有效去除，其可能的化学反应式如下
权利要求
1.一种用于去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe2O4磁性复合材料的制备方法，其特征在于将竹炭制成粉末，与通过化学共沉淀法制得的铁酸铜进行复合反应，得到竹炭-铁酸铜复合物 BC-CuFe2O4。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于具体步骤如下 (1)竹炭预处理将竹炭用蒸馏水煮沸，去除竹炭表面附着的粉尘及其它残留物，经过滤后烘干，再将粒径为10-20mm的干燥竹炭颗粒用球磨机磨成粒径小于80目的粉末状备用； (2)竹炭-铁酸铜复合物的制备通过化学共沉淀法制备铁酸铜，CuS04X5H20与Fe2(SO4)3的摩尔比为1:1，后加入竹炭粉，使其与铁酸铜的质量比为1:2，进行复合反应，SP得到竹炭-铁酸铜复合物BC-CuFe2O4。
3.一种用于去除饮用水中丹宁酸的BC-CuFe2O4磁性复合材料，其特征在于是竹炭-鉄酸铜复合物，是将竹炭制成粉末，与通过化学共沉淀法制得的铁酸铜进行复合反应而得到。
4.权利要求3所述磁性复合材料用于去除饮用水中丹宁酸的方法，是将竹炭-铁酸铜复合物，采用吸附法处理饮用水中的丹宁酸；水溶液在中性以及弱酸性条件下，往50 mL具塞聚丙烯管中投加20 mg竹炭-鉄酸铜复合物吸附剂，吸附时间为140 min时可达到去除丹宁酸的最佳静态吸附效果。
全文摘要
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种用于吸附饮用水中丹宁酸的竹炭-铁酸铜(BC-CuFe2O4)磁性复合材料制备方法及应用。其方法是先将洗净、干燥后的竹炭用球磨机磨成粒径小于80目的粉末状，然后与通过化学共沉淀法制得的铁酸铜进行复合反应，得到一种不仅具有较强吸附性能而且还具有磁性的新型吸附材料——竹炭-铁酸铜复合物，该吸附材料在丹宁酸水溶液中性以及弱酸性条件下，投加0.4g/L吸附剂量，吸附时间为140min时，其吸附容量最高可达到228.86mg/g。本发明依据丹宁酸的化学特性，通过增加竹炭表面酸碱官能团的种类及数量，从而提高竹炭对丹宁酸的吸附能力。同时，制得的竹炭-铁酸铜复合物具有良好的磁性，可方便地利用磁分离法回收。本发明对于去除饮用水中溶解性有机物——丹宁酸有较广阔的应用前景。
文档编号B01J20/30GK103028375SQ201210574868
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者张文艺, 邱小兰, 吴凌云, 郑泽鑫, 占明飞 申请人:常州大学