磁性纳米载铁有序介孔碳及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于水处理领域，涉及一种磁性纳米载铁有序介孔碳及其制备方法和在去除水体中双酚A中的应用。
【背景技术】
[0002]双酚A，也称BPA，是重要的有机化工原料，苯酚和丙酮的重要衍生物，在工业上双酚A被用来合成聚碳酸酯(PC)和环氧树脂等材料。它无处不在，60年代以来就被用于制造塑料(奶)瓶、幼儿用的吸口杯、食品和饮料(奶粉)罐内侧涂层。每年，全世界生产2700万吨含有BPA的塑料。但BPA也能导致内分泌失调，威胁着人类的健康。癌症和新陈代谢紊乱导致的肥胖也被认为与此有关。正因为如此，控制双酚A污染受到了广泛的关注。目前各种各样的方法被用来除去废水中的双酚A，其中主要有膜技术、电化学法、光催化降解、离子交换和吸附法。其中吸附法以其操作方便，吸附剂的种类多样、设计灵活、成本低、处理周期短且较高的处理效率等优点而成为一个应用很广的方法。
[0003]纳米零价铁颗粒尺寸小，而且利用铁表面的氧化还原作用释放出的电子可以有效分解多种有机、无机环境污染物，是绝佳的除污剂。此外，最近研究者发现将纳米零价铁负载于固体上制备负载型纳米零价铁，能够有效提高表面积，增大纳米粒子与污染物的接触总面积，增加其在反应体系中的分散性，防止纳米粒子的团聚。而有序介孔碳是一种具有大的比表面积、孔体积较高的水热稳定性和酸碱稳定性的吸附剂。因此将纳米零价铁固载在有序介孔碳上引起了极大关注。这种复合材料可以将有序介孔碳的吸附作用和纳米粒子的高反应活性协同起来，吸附和降解效率将显著提高。解决了纳米零价铁在应用中存在的易氧化失活及易团聚的两大技术难题。并且在外部磁铁的作用下实现与液相的快速分离，而避免了离心或者过滤分离操作带来的不便。因此将零价铁纳米粒子固载在有序介孔碳基质上，对高效去除双酚A具有重大意义。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种纳米粒子不易团聚，不易钝化，不易堵塞孔道、具有较大的比表面积和孔体积、磁性强的磁性纳米载铁有序介孔碳，还提供了一种步骤简单，成本低廉，生产效率高，易于大规模生产的磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法；同时还相应提供了一种磁性纳米载铁有序介孔碳在去除水体中双酚A中的应用。该磁性纳米载铁有序介孔碳能够有效去除水体中的双酚A，不仅对双酚A的吸附容量大、去除效率高，而且pH适用范围广、操作简单、处理周期短、再生容易，有利于废水处理中高效自动化的设计。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种磁性纳米载铁有序介孔碳，所述磁性纳米载铁有序介孔碳以有序介孔娃SBA-15为模板，以蔗糖为碳源，六水氯化铁为铁源，通过纳米共浇铸一步法制备得到；所述磁性纳米载铁有序介孔碳的比表面积为450m2/g?600 m2/g，孔径为3.5nm?4.3nm。
[0006]作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法，包括以下步骤:将蔗糖、六水氯化铁和硫酸溶液进行混合，所得混合溶液加入到有序介孔硅SBA-15中，填充碳源和铁源，经两次热处理、高温碳化、脱硅处理，得到磁性纳米载铁有序介孔碳。
[0007]上述的制备方法中，优选的，所述有序介孔硅SBA-15、硫酸溶液、六水氯化铁和蔗糖的质量比为1: 5.125?6.15: 0.73?1: 1.25?1.5。
[0008]上述的制备方法中，优选的，所述两次热处理是依次在80°C?85°C条件下热处理4h?5h、在140°C?145°C条件下热处理4h?5h。
[0009]上述的制备方法中，优选的，所述高温碳化是在惰性气体保护下，以2°C /min?
2.5°C /min速率升温至800°C?840°C进行高温碳化2h?3h。
[0010]作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种上述的磁性纳米载铁有序介孔碳或上述的制备方法制得的磁性纳米载铁有序介孔碳在去除水体中双酚A中的应用。
[0011]上述的应用中，优选的，包括以下步骤:将所述磁性纳米载铁有序介孔碳加入到含双酚A的水体中，进行振荡吸附反应，将吸附有双酚A的磁性纳米载铁有序介孔碳与水体分离，完成对水体中双酚A的处理；所述磁性纳米载铁有序介孔碳按添加量为0.5g/L?lg/L添加到所述含双酚A的水体中。
[0012]上述的应用中，优选的，所述含双酚A的水体的pH值为5?11。进一步优选的，所述含双酚A的水体的pH值为6?11。更优选的，所述含双酚A的水体的pH值为9?10。最优选的，所述含双酚A的水体的pH值为9。
[0013]上述的应用中，优选的，所述含双酚A的水体中双酚A的浓度为50mg/L?500mg/L。
[0014]上述的应用中，优选的，所述振荡吸附反应的温度为25 °C?45 °C，转速为lOOrpm ?150rpm，时间为 4h ?6h。
[0015]上述的应用中，优选的，将所述吸附有双酚A的磁性纳米载铁有序介孔碳按添加量为0.5g/L?lg/L添加到乙醇溶液中，振荡解吸4min?8min，完成对磁性纳米载铁有序介孔碳的再生。
[0016]本发明的磁性纳米载铁有序介孔碳中，所述磁性纳米载铁有序介孔碳中的磁性纳米粒子为零价铁和铁的氧化物，所述铁的氧化物为四氧化三铁和/或三氧化二铁；所述磁性纳米粒子通过碳热还原法制备得到。
[0017]本发明磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法中，所用硫酸溶液通常采用由质量分数为98%的浓硫酸通过水稀释后制备得到；所述浓硫酸与水的质量比为0.125?0.15: 5 ?6。
[0018]本发明磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法中，所述有序介孔硅SBA-15的制备方法包括以下步骤:
(1)将嵌段共聚物P123、正硅酸乙酯与盐酸溶液混合均匀，得到混合溶液；
(2)将所述混合溶液于120°C?150°C下反应24h?40h，得到沉淀物；
(3)将所述沉淀物于500°C?560°C下煅烧4h?5h，得到有序介孔硅SBA-15。
[0019]本发明有序介孔硅SBA-15的制备方法中，所述嵌段共聚物P123、正硅酸乙酯与盐酸溶液的质量体积比为lg: 2.0g?2.25g: 37mL?44mL;所述盐酸溶液的质量浓度为4% ?6% ο
[0020]本发明磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法中，所述脱硅处理为:将高温碳化后得到的材料置于80 °C?90 °C的NaOH溶液中反应55min?75min，脱去硅模板；所述NaOH溶液的浓度为1.5 mol/L?2 mol/L。
[0021]与现有技术相比，本发明的优点在于:
(1)本发明提供了一种磁性纳米载铁有序介孔碳，以有序介孔碳为载体，磁性纳米铁粒子负载在载体上，纳米粒子不易团聚，不易钝化，不易堵塞孔道。本发明的磁性纳米载铁有序介孔碳具有较大的比表面积和孔体积的特点，对双酚A的吸附容量大、pH适用范围广，吸附平衡所需时间短，可以快速有效地去除水体中的双酚A，易于大规模运用于双酚A废水的处理，利用乙醇就可洗脱掉吸附的双酚A ;同时还具有较强的磁性，在外部磁场的作用下，容易从液相中快速分离，可磁性回收分离，能够实现材料的重复使用，且连续使用五次后的吸附量仍然可以达到270mg/g以上。
[0022](2)本发明提供了一种磁性纳米载铁有序介孔碳的制备方法，通过纳米共浇铸一步法合成磁性纳米载铁有序介孔碳复合材料，具有步骤简单，成本低廉，生广效率尚，易于大规模生产等优点。本发明的制备方法中仅采用一次填充碳源，简化了步骤，节省了蔗糖用量，同时还能避免碳源的填充不足，不均匀。
[0023](3)本发明提供了一种磁性纳米载铁有序介孔碳在去除水体中双酚A中的应用；该磁性纳米载铁有序介孔碳能够有效去除水体中的双酚A，不仅对双酚A的吸附容量大、去除效率高，而且pH适用范围广、操作简单、处理周期短、再生容易，有利于废水处理中高效自动化的设计。
【附图说明】
[0024