超顺磁多孔Fe3O4微球的合成、修饰及其重金属离子吸附性能研究

作     者：虞勇 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王永强;周少敏

授予年度：2018年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：超顺磁 多孔结构 四氧化三铁微球 重金属离子 吸附性能 

摘      要：随着人类社会的不断发展,环境污染问题日益突出。其中,水体中的重金属离子因具有高毒性、持久性、难降解性等特点,不仅破坏生态环境,而且可以通过食物链进入人体,严重威胁人类的健康,因此水中重金属离子的去除和处理受到广泛关注。目前,重金属离子吸附技术因具有成本低、操作简单、高效节能、吸附剂可循环利用等优势应用非常广泛。传统吸附剂如活性炭和沸石等具有吸附容量小、去除效率低等缺点,而纳米材料具有大的比表面积和高密度的表面活性位点,能够快速高效的去除水体中污染物,受到科研工作者的广泛关注。其中,磁基纳米吸附材料能够实现吸附后从水体中快速分离,减少能耗,进一步降低了吸附后的分离成本,成为当前研究热点。当前磁性吸附材料存在如下问题:一方面,对于多孔磁性颗粒吸附剂,通常采用煅烧含铁前驱体获得,但该方法得到的产物具有铁磁性,易团聚;另外,采用溶剂热获得的材料,比表面积较低,从而导致其吸附性能较差;另一方面,对于磁性聚合物复合吸附剂,通常采用以磁性微球为内核,进行表面功能化修饰,形成具有芯壳结构的复合微球吸附剂,但该方法得到的产物壳层不具有多孔性,从而限制其吸附性能。因而,开发具有多孔结构的磁基复合吸附剂,是提升其吸附性能的关键。本文以水体中以Pb离子和Cr(VI)离子的高效去除为目标,以磁基纳米吸附材料为研究对象,旨在开发高效的多孔超顺磁纳米吸附剂。主要围绕超顺磁多孔四氧化三铁(FeO)微球,开发新的合成方法,研究四氧化三铁多孔结构对吸附性能的影响;并在此基础上,以多孔超顺磁四氧化三铁微球为模板,对其表面进行修饰如聚罗丹宁和聚吡咯,利用其功能基团提高吸附性能,同时包覆磁性内核增加其稳定性;通过探究合成产物的比表面积、孔径尺寸和修饰量等对重金属离子吸附性能的影响及规律,优化产物结构,初步合成了四氧化三铁聚罗丹宁(FeO-polyrodanine)和四氧化三铁聚吡咯微球(FeO-polypyrrole)复合吸附材料。具体工作总结如下:(1)以四氧化三铁微球为模板,提出采用刻蚀策略合成多孔四氧化三铁微球的方法。研究结果表明,四氧化三铁微球内部小尺寸颗粒被优先选择性刻蚀后,其内部出现多孔结构,且通过控制反应时间,可以实现对其比表面积和孔径的调控,最高比表面积可达96 m g。通过系统研究孔的形成过程,提出尺寸选择性刻蚀和扩孔刻蚀的孔形成机理,并探究了合成样品的比表面积及孔径对重金属离子的吸附性能的影响,测试结果表面优化后的多孔四氧化三铁微球对Pb和Cr(VI)离子最大吸附容量分别为112.8 mg g和68.7 mg g。(2)以上述合成的多孔四氧化三铁微球为模板,通过调控反应参数,实现罗丹宁和吡咯单体在多孔FeO微球内部孔表面的原位聚合,最终合成出多孔四氧化三铁聚合物复合微球。实验结果表明通过调控聚罗丹宁和聚吡咯的生成量,能够保留多孔四氧化三铁模板的原有结构。利用聚合物修饰层不仅可以增加多孔四氧化三铁微球的稳定性,而且聚合物的功能基团能提升吸附性能,测试结果显示多孔FeO-polyrodanine(FeO-PRd)复合微球对Pb离子的最大吸附量达到189 mg g,多孔FeO-polypyrrole(FeO-PPy)复合微球对Cr(VI)离子的最大吸附量达到199.6 mg g,远高于原有多孔四氧化三铁微球的吸附量。并且两种复合微球在五次循环吸附脱附后,吸附性能仍保持在90%以上,拥有较好的循环再生能力。