化学共沉淀法制备Fe3O4纳米颗粒及其对金属离子吸附性能的研究进展

2022-09-11

Fe3O4纳米粒子作为一种典型的磁性功能材料, 已经广阔的应用在多个方面:如磁记录材料、颜料、催化剂、电子材料等。其中, 应用于废水处理, 对金属离子进行吸附, 考察并优化相应的吸附性能是目前的研究热点。本文首先介绍了共沉淀法工艺制备Fe3O4纳米颗粒的优点和存在的问题, 然后探讨了Fe3O4纳米颗粒对金属离子的吸附性能研究进展。

一、共沉淀法制备Fe3O4纳米粒子

共沉淀法的定义是在包含两种或两种以上金属离子的可溶性盐溶液中, 加入适当的沉淀剂, 使金属离子均匀沉淀或结晶出来, 再将沉淀物脱水或热分解而制得纳米微粉。这种合成工艺是在惰性气体气氛中, 将Fe2+、Fe3+的可溶性盐配成前驱体溶液, 按照1∶2的摩尔比例将Fe2+和Fe3+的两种溶液混合, 在一定温度下用碱液作为共沉淀剂, 将混合溶液中的Fe2+和Fe3+共同沉淀出来沉淀转化为Fe3O4后, 经过滤洗涤燥得到Fe3O4纳米粒子。沉淀法的特点是设备简单, 反应条件温和, 原料价格低廉, 工艺流程短, 易于工业化生产;反应过程中成核容易控制;一般产物粒径较小且为球形, 方便在其表面修饰功能基团。但此方法要求各组分的水解和沉淀条件相近, 具有一定局限性, 且影响粉末粒径和磁学性能的因素较多, 且在碱性条件下, 二价铁极易被氧化成三价, 因而产物中Fe2+和Fe3+的比例很难控制为1∶2, 致使出现杂相。这些因素都必须严格控制, 否则可能出现产物不纯、团聚、氧化等现象, 使磁学性能降低。

二、Fe3O4纳米颗粒对金属离子吸附性能研究

1. 对Cu离子的吸附

郑根武选用Fe3O4作为磁性组分, 用共沉淀法制备出了直径为40 nm的纳米Fe3O4颗粒。利用乳化交联法在p H=9, 60℃的条件下将壳聚糖和Fe3O4纳米颗粒复合, 制备出不同质量比的壳聚糖Fe3O4磁性微球。同时测试了磁性微球对Cu2+的吸附性能结果表明:在p H=5时材料有较好的吸附性, 壳聚糖所占质量比越高吸附性能越好, m壳聚糖∶m Fe3O4=2:1的吸附性最好, 在p H=5时吸附容量为78.15mg/g。代明珠研究小组[14]采用热分解法制备了一种功能性的Fe3O4碳纳米管复合材料磁性。Fe3O4纳米粒子均匀地修饰在多壁碳纳米管表面而且无团聚现象出现。吸附性能研究结果显示:复合材料的吸附作用不仅对时间有很强的依赖性而且能够高效地去除铜离子并能通过外加磁场实现快速分离。周利民等人采用悬浮聚合法制备四氧化三铁/聚丙烯酸甲酯磁性微球, 经胺基化改性后制备一种新型吸附剂, 考察其对金属离子的吸附性能, 结果表明该吸附材料吸附Cu2+的等温线符合Langmuir模型。且饱和吸附容量为1.1mmol/g。再生和重复实验表明, 该吸附材料具有良好的再生性能和重复使用性能。

2. 对Ca离子的吸附

水中钙离子的去除对水资源的综合利用起着重要作用。周红等研究小组结合磁性颗粒易分离及含功能基的螯合性能合成了树形分子修辞Si O2包覆的磁性纳米颗粒, 并考察了该核壳磁性纳米颗粒对钙离子的吸附作用, 讨论了钙与该功能基包覆的磁性纳米颗粒之间的配位关系。原子吸收光谱研究结果表明:该纳米颗粒可通过其配位基团, 按理论配比螯合钙离子, 随着功能基含量的增加吸附钙离子的能力也会随之增强。该类磁性纳米颗粒有望用作水中钙离子的吸附剂。

3. 对Pb离子的吸附

汪婷研究小组采用共沉淀方法制备纳米四氧化三铁颗粒 (MNPs) , 考察了不同MNPs投加量、p H值、温度和初始浓度条件下对纳米四氧化三铁同步去除水中Pb (II) 和Cr (III) 离子的影响。结果表明, 在p H为6.0、温度为25℃、纳米四氧化三铁的投加量为4.0g/L下, 吸附3h后, Pb (II) -Cr (III) 复合溶液中Pb的去除率为70.5%, Cr的去除率可达77.4%。p H和温度对去除过程影响较大。复合溶液中Pb (II) 和Cr (III) 离子的去除过程为同步吸附。吸附等温线研究说明, Pb () 的吸附是放热过程且为单相吸附;相反Cr () 的吸附是吸热过程且为多相吸附。重复利用实验表明, MNPs利用3次后对Pb和Cr的去除率几乎未受影响。因此, MNPs可用于实际工程中多种重金属离子共存废水的原位处理。王萌等人采用改进的化学共沉淀法制备纳米Fe3O4颗粒, 利用胡敏酸对纳米Fe3O4颗粒进行修饰, 研究了等温下对水体中Pb2+、Cd2+、Cu2+的吸附效果。不同例子的吸附都可以用Langmuir方程进行拟合。对不同离子而言, 裸露的和不同官能团修饰的纳米颗粒对金属离子的吸附能力强弱不同。

三、展望

随着纳米磁性材料在各个领域的广泛应用, 作为一种重要的磁性材料, 纳米Fe3O4的研究和开发已经受到了普遍关注。新型、高性能磁性多功能纳米材料制备方法的是一个重要发展方向。除了特殊形貌的纳米材料, 未来的研究方向还需围绕在减少纳米四氧化三铁颗粒的团聚和氧化、提高产品的磁性能以及研究其在生物医药领域的应用等方面。此外, 当前许多新形貌及性质的Fe3O4纳米材料仅停留在实验室研究阶段, 如何实现大规模工业化生产, 使之应用在人们的生活及生产中, 也有待于人们深入地探索和开发应用。

摘要：纳米Fe3O4粒子因其特殊的理化性质及在多个领域的应用而得到广泛研究本文主要介绍了制备纳米Fe304粒子典型的共沉淀合成工艺, 并在此基础上详细探索Fe3O4纳米颗粒对Ca2+、Cu2+、Pb2+离子的吸附性能。最后, 展望和总结了目前Fe3O4纳米粒子制备工艺的研究趋势, 提出制备吸附性能优良的磁性纳米材料新思路。

关键词：纳米Fe3O4,金属离子,研究