CN103706328B - 氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂、制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，其孔径集中分布在3.8nm，其表面部分石墨化，包含有磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为铁的氧化物纳米粒子和铁纳米粒子；制备方法为，将介孔硅SBA-15模板加入到含有糠醇、硝酸铁的易挥发的有机溶液中，充分混合，进行热聚合，然后在惰性气体保护下进行碳化，最后用强碱溶液脱硅，分离，洗涤，干燥，得到磁性有序介孔碳；将磁性有序介孔碳溶于强酸溶液中，控制温度低于5℃，加入苯胺和过硫酸铵，充分混合，然后对聚合后的复合物进行清洗，干燥，在惰性气体保护下进行碳化，得到氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，本发明吸附效率高，吸附容量大，吸附平衡时间短。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸附材料，具体是涉及一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂、制备方法和应用。
背景技术
重金属和酚类有机物广泛存在于各种工农业废水中，具有很高的毒性、致癌性以及水溶性，严重危害着公共健康和生态环境。重金属和酚类有机物可通过饮食，皮肤接触，甚至空气传播（酚类有机物）等途径侵入人体，影响人体的健康。因此，去除水体中重金属和酚类有机物污染受到了国内外的广泛关注。
中国专利申请号为201310272004.0的专利申请公开了一种磁性载铁有序介孔碳，以有序介孔碳为载体，载体通过硬模板法制备得到，磁性纳米粒子通过纳米共浇铸法负载在载体上，磁性纳米粒子主要由零价铁和铁的氧化物组成，铁元素的配量按每克介孔硅模板配1～1.5mmol计，介孔碳的孔径分布主要集中在5nm和3.8nm附近，制备方法包括：将铁源物质、蔗糖溶于硫酸后，浸渍进孔硅模板，采用两段式热处理，再用含蔗糖的硫酸溶液二次浸渍，两段式热处理，最后进行恒温高温碳化，再使用热NaOH溶液脱出硅模板，干燥后，得到本产品，上述技术方案的不足为：1.需要两次碳源填充；2.在碳源填充后热处理阶段需要两次热处理，即100℃，6h，160℃，6h处理，处理复杂，能耗大；3.高温炭化过程能耗大，高温炭化过程为，以5℃/min上升至900℃，保持6h。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比表面积大，吸附效率高、成本低廉的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，还提供一种工艺简单、费时短的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的制备方法，本发明还提供一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在去除水体中重金属离子或酚类有机物的应用，其吸附效率高，吸附容量大，吸附平衡时间短。
为解决上述技术问题，本发明提供一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的孔径集中分布在3.8nm，其表面部分石墨化，包含有磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为铁的氧化物纳米粒子和铁纳米粒子，铁的氧化物主要为四氧化三铁；制备方法为，将介孔硅SBA-15模板加入到含有糠醇、硝酸铁的易挥发的有机溶液中，所述易挥发的有机溶剂优选为乙醇，充分混合，在80～90℃下进行热聚合，然后在惰性气体保护下于800～900℃进行碳化，最后用强碱溶液脱硅，分离，洗涤，干燥，得到磁性有序介孔碳；将磁性有序介孔碳溶于强酸溶液中，控制温度低于5℃，加入苯胺和过硫酸铵，充分混合，分离得到聚合后的复合物，然后对聚合后的复合物进行清洗，干燥，在惰性气体保护下于800～1000℃进行碳化，得到氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂。
所述强酸溶液为0.1～0.2mol/L的盐酸溶液。
对聚合后的复合物进行清洗步骤中，使用的清洗物质为乙醇水溶液。
所述介孔硅SBA-15模板的制备方法为，将嵌段共聚物P123、盐酸溶液与正硅酸乙酯在30～35℃下混合搅拌20～24h，得混合液，将所述混合液转移至100～140℃下反应24～48h，得到沉淀，将所述沉淀过滤后干燥，得到粉末，将所述粉末在500～550℃下煅烧4～5h，得到介孔硅SBA-15模板。
所述介孔硅SBA-15模板和硝酸铁的质量比为1:0.4～1，所述介孔硅SBA-15模板和糠醇的质量体积比为1g:2～3mL。
所述惰性气体为氮气。
本发明还提供一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的制备方法为，步骤是，将介孔硅SBA-15模板加入到含有糠醇、硝酸铁的乙醇溶液中，充分混合，在80～90℃下进行热聚合，然后在惰性气体保护下以2℃/min上升速率升温至800～900℃进行碳化，碳化时间优选为1-3h，最后用80～90℃的氢氧化钠溶液脱硅，分离，洗涤，干燥，得到磁性有序介孔碳；将磁性有序介孔碳溶于强酸溶液中，控制温度低于5℃，加入苯胺和过硫酸铵，充分混合，分离得到聚合后的复合物，然后对聚合后的复合物进行清洗，干燥，在惰性气体保护下于800～1000℃进行碳化，优选以2℃/min上升速率升温至800～1000℃，得到氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂。
本发明还提供一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在去除水体中的重金属离子或/和酚类有机物的应用，包括以下步骤，
将所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂加入到含重金属离子或/和酚类有机物的溶液中，控制温度为25～30℃，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在溶液中的添加量为0.5～1g/L，充分震荡，吸附完成后，用磁铁将所述吸附了重金属离子或/和酚类有机物的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂与溶液分离。
所述含重金属离子或酚类有机物的溶液中的重金属离子或酚类有机物的浓度为10～300mg/L，吸附时间为5～240min。
目前，去除废水中的重金属和酚类有机物的方法，主要有：化学沉淀或絮凝法、膜技术、电解还原、催化降解、离子交换和吸附法。吸附法以其吸附操作方便，吸附剂的种类多样、运行周期短、处理效率高等优势而被广泛应用。
有序介孔碳由于自身大的比表面积和孔体积、独特的孔结构和稳定的理化性质在吸附催化等领域显示出巨大的潜力。《物理化学学报》，2001年第26卷第12期，公开了对有序介孔碳进行胺基功能化，用于对重金属离子Cu(II)、Cr(VI)进行选择性吸附；文献（Yufang Zhuet al,The Journal of Physical Chemistry C,2009,5998-6002）公开了一种铁、铂双金属负载的有序介孔碳用于吸附水体中的苯酚。由于磁性吸附剂可以在外部磁铁的作用下实现与液相的快速分离，可避免离心或者过滤分离操作带来的不便，因而对有序介孔碳引入磁性可方便其回收利用，同时可预防二次污染。
另一方面，通过化学修饰和高温炭化等手段对吸附剂引入氮源，进行氮杂化，这样不仅增强吸附剂的亲水性，而且引入了氨基、亚氨基等功能性基团，能用来螯合或者络合重金属离子从而提高吸附性能。因此对有序介孔碳吸附剂引入磁性纳米粒子和进行氮原子杂化，对发展高性能有序介孔碳吸附剂具有重大意义。
本发明具有以下优点：
1、本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，具有较强的磁性，这样在重金属离子和酚类有机物吸附后还可以借助外部的磁场作用实现与液相的快速分离，可避免离心或者过滤分离操作带来的不便，大大降低了操作的难度和成本，提高了吸附效率。
2、本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，比表面积大，孔径独特，且分散性能好，表面还带有具有螯合作用的氨基和亚氨基功能团，极大地促进了重金属离子的去除。
3、本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂制备工艺简单，价格低廉，适合于大规模生产和应用。
4、本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂可以同时去除水体中的重金属离子和酚类有机物，且吸附效率高，平衡时间短，并且所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的理化性质稳定，能广泛应用于含重金属离子和酚类有机物的水体中，特别是铅离子和苯酚的废水处理中。
本发明和专利申请号为201310272004.0公开的技术方案相比，本发明的介孔硅SBA-15模板的制备过程中，嵌段共聚物P123与正硅酸乙酯混合，在100～140℃反应后，不需要过滤洗涤至中性，反应后的沉淀中含有的HCl在500～550℃煅烧过程中挥发去除。本发明制备的磁性有序介孔碳利用糠醇做为碳源，乙醇作为溶剂，具有以下优势：1.不需要经历两次热处理，专利申请号为201310272004.0的技术方案中，需要两次热处理，即100℃，6h；160℃，6h处理，而本发明仅需要在80～90℃进行热聚合，制备需时短，需要的温度低，能耗低；2.本发明不需要两次碳源填充，仅需要一次糠醇聚合，减去了繁琐的步骤，制备过程简单；3.高温炭化过程不同，本发明的热聚合后的材料在碳化过程是以2℃/min上升至900℃，保持2h，而专利申请号为201310272004.0的技术方案中，是以5℃/min上升至900℃，保持6h。本发明的磁性有序介孔碳，制备步骤简单，费时短，热处理的成本降低。
本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，利用过硫酸铵对苯胺分子在磁性有序介孔碳表面进行初步聚合，中间产物非磁性有序介孔碳/聚苯胺；本发明在制备洗涤后对聚合后的磁性有序介孔碳进行了高温炭化，这一步是关键的一步，这样制得的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的亲水性更好，稳定性增强，同时很好的保持了氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂有序度，保证了氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的应用价值。
附图说明
图1是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的透射电镜图。
图2是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的X射线衍射光谱示意图。
图3是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的孔径分布效果图。
图4是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对铅离子的吸附效率随吸附时间变化的关系示意图。
图5是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对铅离子的吸附容量随铅离子初始浓度变化的关系示意图。
图6是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对苯酚的吸附效率随吸附时间变化的关系示意图。
图7是本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对苯酚的吸附容量随苯酚初始浓度变化的关系示意图。
具体实施方式
实施例1
一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的孔径集中分布在3.8nm，其表面部分石墨化，包含有磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为铁的氧化物纳米粒子和铁纳米粒子，所述铁的氧化物主要是四氧化三铁；通过以下步骤制备得到：
（1）制备介孔硅SBA-15模板：
先将4.0g嵌段共聚物P123（Pluronic）（Sigma公司生产，分子量为5800）置于160ml浓度为1.54mol/L的盐酸溶液中，置于35℃水浴中搅拌直至溶解，然后逐滴加入8.6g正硅酸乙酯（TEOs），得混合物；将所述混合物在35℃下搅拌20h，再将混合液转移至反应釜中，在140℃下加热反应24h，得到白色沉淀；再将白色沉淀过滤收集，室温下风干，干燥后得到白色粉末；为了去除多余的模板剂（即嵌段共聚物P123），将上述得到的白色粉末放入箱式炉中，控制升温速率为l℃/min，在升温到550℃空气中煅烧4h，模板剂被脱除后，经研磨即得介孔硅SBA-15模板。
（2）制备磁性有序介孔碳：
将含有2ml糠醇和0.721g的九水合硝酸铁的10ml乙醇溶液浸渍1g焙烧后的介孔硅SBA-15模板，充分混合后，在80℃温度下热聚合10h，然后将其在氮气保护下以2℃/min上升速率升温至900℃并保持2h进行高温炭化，得到炭化后的复合物，将炭化后的复合物利用80℃的2M NaOH溶液进行两次脱硅，每次进行1h，然后磁性分离，洗涤至中性，60℃过夜干燥，即得磁性有序介孔碳。
（3）制备氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂：
将1g上述制得的磁性有序介孔碳溶于300mL0.1M HCl溶液中，后机械搅拌3h，然后利用冰块调节温度为0℃左右，得复合溶液；再向复合溶液中加入1mL苯胺和与之对应的2.5g过硫酸铵，然后搅拌24h进行聚苯胺化，分离得到聚合后的复合物，利用质量浓度为50%的乙醇水溶液对聚合后的复合物清洗3次，60℃过夜干燥，然后将聚合后的样品在氮气保护下以2℃/min上升速率升温至950℃并保持3h，再次进行高温炭化，得到氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂。
对氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂进行透射电镜分析，如图1所示，从图1可知，氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂具有排列有序的条状阵列结构，所述条状阵列结构之间均匀分布着黑色小颗粒，这些黑色小颗粒为以铁纳米粒子和铁的氧化物纳米粒子为首的磁性纳米粒子，表明磁性铁源成功的引入了介孔碳基质，同时，还可以发现氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂表面存在石墨结构，这主要是因为氮原子的引入导致该介孔吸附剂被部分石墨化。为了进一步了解所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的组成成分，对其进行X射线衍射分析，结果如图2所述，从图2可知，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在2θ为26°左右有一个较弱的衍射峰，这和JCPDS卡片上41-1487号的石墨化碳（002）平面衍射相对应，表明所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂被部分石墨化，与所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的透射电镜图相对应，同时X射线衍射光谱在30.1°，35.5°，43.1°，44.7°，57°和62.5°等五处也出现了衍射峰，这主要是铁纳米粒子和铁的氧化物衍射峰对应的角度，其中，30.1°、35.5°、43.1°、57°和62.5°对应JCPDS卡片上48-1487号的四氧化三铁的晶格衍射角度，44.7°对应JCPDS卡片上06-0696号的α-零价铁的衍射角度。表明所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂上的磁性纳米粒子主要为四氧化三铁纳米粒子和α-零价铁纳米粒子。对氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂进行孔径分析结果如图3所示，可发现氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的孔径集中在3.8nm左右，独特的孔径大小有利于其对大多数污染物去除。
实施例2
氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂吸附重金属离子：
以含铅离子溶液为例，分别采用不同铅离子初始浓度的溶液和不同的吸附反应时间，测试实施例1制备得到的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂用于吸附溶液中的重金属离子的能力，考虑到水体中含有其他离子，本实验中向所有的含铅离子原始水溶液中加入浓度为0.01MNaCl作为背景离子，吸附重金属离子具体步骤如下：
ⅰ.准备7组10mL浓度为50mg/L的含铅离子溶液，不调节溶液pH，向上述原始溶液中，分别加入5mg的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，30℃左右且150rpm转速条件下进行吸附反应，分别于反应时间为5min、10min、30min、60min、90min、150min和240min时取样，磁性分离5min后，利用原子吸收分光光度计测定溶液中未被吸附的铅离子的量。实验结果如图4所示，由图4可知，本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的吸附效率随着吸附时间的延长而增大，其最大吸附效率达到80%左右，表明氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对铅离子具有很高的吸附性能，同时还发现在60分钟左右达到吸附饱和，表明其对铅离子吸附的平衡时间比较短，具有很好的实际应用价值。
ⅱ.准备7组10mL含铅离子溶液，其初始浓度分别为10mg/L、30mg/L、50mg/L、90mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L，分别加入5mg实施例1制备得到的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，30℃左右且150rpm转速条件下，震荡吸附60分钟后，取样，磁性分离，完成吸附。对完成吸附的溶液中的重金属离子进行剩余浓度的测定和计算，结果如图5所示，由图5可知，本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对铅离子具有很好的去除效果，并随着溶液铅离子初始浓度的增加，其吸附量增加，最大吸附能力出现在铅离子初始浓度为300mg/L的时候，对铅离子的最大吸附量达到150mg/g左右。
实施例3
氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂吸附酚类有机物：
以含苯酚溶液为例，分别采用不同苯酚初始浓度的溶液和不同的吸附反应时间，测试实施例1制备得到的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂用于吸附溶液中的酚类有机物的能力，同样，考虑到自然水体中含有其他离子，本实验中向所有的含苯酚原始水溶液中加入浓度为0.01M NaCl作为背景离子，吸附酚类有机物具体步骤如下：
ⅰ.准备7组10mL浓度为50mg/L的含苯酚的溶液，不调节溶液pH，向上述原始溶液中，分别加入5mg的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，30℃左右且150rpm转速条件下进行进行吸附反应，分别于反应时间为5min、10min、30min、60min、90min、150min和240min时取样，磁性分离5min后，利用紫外分光光度计测定溶液中未被吸附的苯酚的量。实验结果如图6所示，由图6可知，本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对苯酚的吸附效率随着吸附时间的延长而增大，其最大吸附效率达到90%左右，表明氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对苯酚具有很高的吸附性能，另一方面，在90分钟左右，吸附量不再随着时间的增加而增加，表明达到了吸附饱和。
ⅱ.准备7组10mL含苯酚溶液，初始浓度分别为10mg/L、30mg/L、50mg/L、90mg/L、150mg/L、200mg/L和300mg/L，分别加入5mg上述的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂，30℃左右且150rpm转速条件下，震荡吸附90分钟后，取样，磁性分离，完成吸附。对完成吸附的溶液中的酚类有机物进行剩余浓度的测定和计算，结果如图7所示，由图7可知，本发明的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂对苯酚的吸附容量随着溶液苯酚初始浓度的增加而增加，最大吸附能力出现在苯酚初始浓度为300mg/L的时候，最大苯酚吸附量达到180mg/g左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在去除水体中的重金属离子或/和酚类有机物的应用，其特征是，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂的孔径集中分布在3.8nm，其表面部分石墨化，包含有磁性纳米粒子，所述磁性纳米粒子为铁的氧化物纳米粒子和铁纳米粒子；制备方法为，将介孔硅SBA-15模板加入到含有糠醇、硝酸铁的易挥发的有机溶液中，充分混合，在80～90℃下进行热聚合，然后在惰性气体保护下于800～900℃进行碳化，最后用强碱溶液脱硅，分离，洗涤，干燥，得到磁性有序介孔碳；将磁性有序介孔碳溶于强酸溶液中，控制温度低于5℃，加入苯胺和过硫酸铵，充分混合，分离得到聚合后的复合物，然后对聚合后的复合物进行清洗，干燥，在惰性气体保护下于800～1000℃进行碳化，得到氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂；
所述应用方法包括以下步骤，
将所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂加入到含重金属离子或/和酚类有机物的溶液中，控制温度为25～30℃，所述氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂在溶液中的添加量为0.5～1 g/L，充分震荡，吸附完成后，用磁铁将所述吸附了重金属离子或/和酚类有机物的氮杂化的磁性有序介孔碳吸附剂与溶液分离。
2.如权利要求1所述的应用，其特征是，所述强酸溶液为0.1～0.2mol/L的盐酸溶液。
3.如权利要求1所述的应用，其特征是，对聚合后的复合物进行清洗步骤中，使用的清洗物质为乙醇水溶液。
4.如权利要求1所述的应用，其特征是，所述介孔硅SBA-15模板的制备方法为，将嵌段共聚物P123、盐酸溶液与正硅酸乙酯在30～35℃下混合搅拌20～24h，得混合液，将所述混合液转移至100～140℃下反应24～48h，得到沉淀，将所述沉淀过滤后干燥，得到粉末，将所述粉末在500～550℃下煅烧4～5h，得到介孔硅SBA-15模板。
5.如权利要求4所述的应用，其特征是，所述介孔硅SBA-15模板和硝酸铁的质量比为1:0.4～1，所述介孔硅SBA-15模板和糠醇的质量体积比为1g:2～3mL。
6.如权利要求1所述的应用，其特征是，所述惰性气体为氮气。
7.如权利要求1所述的应用，其特征是，所述含重金属离子或酚类有机物的溶液中的重金属离子或酚类有机物的浓度为10～300 mg/L，吸附时间为5～240min。
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