[发明专利]一种铜掺杂复合磁性纳米材料及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于磁性复合纳米吸附材料合成及其水处理领域，涉及一步可控合成的Cu-Fe₃O₄介孔微球及其制备方法，以及将其用于水体砷吸附的应用方法。

背景技术

砷污染一直是国内外亟需解决的环境问题(Science 2008,321(5886),184-185)。目前砷脱除主要有混凝沉淀、吸附法、离子交换、电絮凝、膜分离及生物等方法。其中，吸附法因具备操作简便、成本低、生物相容性高、易于再生等优点，得到广泛的关注(Journal of Hazardous Materials 2007,142(1),1-53；Industrial & Engineering Chemistry Research 2013,52(5),2066-2072；Industrial & Engineering Chemistry Research 2011,51(1),353-361)。随着纳米技术的发展，由于比表面积大幅增加，具有高吸附效率的纳米级吸附剂研发成为新的研究及应用热点之一。然而，随着颗粒粒度的减小，处理完成后难以实现直接与水分离，通常需要借助过滤等手段，需要消耗大量的能量，极大限制了纳米吸附剂在水处理中的发展及应用。

因此，基于高磁性的物质(如Fe₃O₄)开发新型吸附剂，利用磁场实现吸附剂与水体的快速分离，成为解决这一问题的有效手段之一(Journal of Materials Chemistry 2011,21(14),5414-5421；Chemistry-A European Journal 2012,18(42),13418-13426)。但由于有效吸附位点较少，Fe₃O₄纳米粒子的砷吸附性能有待进一步提高。合成磁性复合纳米吸附剂是提升材料性能的重要手段。目前磁性纳米复合吸附剂的合成，一般是在磁性基质表面再修饰吸附材料，或者在吸附基质上直接负载磁性粒子，改变表界面性质(提高官能团、电荷负载密度)，从而提高磁性粒子对砷污染物的亲和力及吸附效率。如专利CN 102489258A报道采用十六烷基三甲基溴化铵修饰的磁性粒子，砷吸附性能提升至23 mg g^-1；专利CN101966445A、CN103464089A等，在磁性铁基质表面包埋一层过渡元素(如：铈、铁、锰、钛等)的氢氧化物，专利CN102476043A制备得到一种纤维素基/Fe₃O₄复合吸附材料。这些方法均采用两步，即预合成磁性纳米粒子，再对粒子进行修饰，两步法制备过程较复杂，成本偏高，且后修饰易对磁性粒子结构造成破坏，所得磁性纳米复合材料的稳定性有待评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜掺杂复合磁性纳米材料及其制备和应用方法。通过本发明方法合成不仅方法简便，制备得到的铜掺杂磁性粒子颗粒均匀，具有高磁性、单分散性、介孔等特点，具有优良的三价及五价砷吸附性能，吸附速度快、容量大、非常适合于工业废水及地下水砷污染物净化。同时可实现水体环境快速磁性分离及回收再生，工业化前景广阔。

本发明的目的是通过以下方式实现的。

一种铜掺杂磁性复合纳米吸附材料的制备方法，以铜盐、三价铁盐为金属盐前驱体，通过铜掺杂比例调节，基于溶剂热反应，得到介孔Cu-Fe₃O₄微球。

所述的介孔Cu-Fe₃O₄微球颗粒尺寸为560 nm～120 nm、比表面积为40-100m² g^-1，孔容为5.24～12.8 cm³ g^-1 nm^-1，磁性为65～130 emu g^-1。

所采用的铜盐是氯化铜、硫酸铜的一种或两种；三价铁盐为氯化铁。

铜盐与氯化铁初始物质的量比例为1:2～1:100。

上述制备方法是在乙二醇溶液中加入氯化铁及铜盐，通过溶剂热反应，磁性分离、干燥，即可。具体包括以下步骤：

(1)将氯化铜、氯化铁加入乙二醇溶液中，超声混合均匀，加入醋酸钠，剧烈搅拌形成均匀混合液；

(2)将上述混合液移入水热反应釜中，180-200℃温度下反应6～10 h；