纳米管的制备及废水吸附性能研究范文

摘要：采用化学共沉淀法制备得到了铁氧体/碳纳米管磁性复合材料，分别使用XRD和SEM对制备的样品进行了表征，并将该样品用于了人工模拟染料污水，亚甲基蓝溶液当中，考察所制备吸附剂的吸附性能。结果表明，通过化学共沉淀法能成功的将铁氧体负载到碳纳米管上，而且其颗粒为纳米颗粒。同时通过吸附亚甲基蓝的测试，100ml浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液当中，吸附剂的最佳用量为25mg，最佳的初始溶液浓度pH=7，在此条件下最佳的吸附去除亚甲基蓝的效率为96.12%。

关键词：铁氧体；碳纳米管；亚甲基蓝；去除率

引言

随着世界经济的不断发展，人类工业的生产能力得到了不断的提高，但是，环境污染问题也越来越严重。例如在化工、印染、纺织、颜料和制药等行业中在生产的过程中，产生了大量的含染料和重金属的污水，这些废水如果未经过相应的处理就直接的进行排放，将会对水体以及人们的健康造成极大的危害。碳纳米管作为一种新型的材料，因其具有良好的热和化学稳定性、超高的比表面积、较小的体积和超高的机械性能，引起了广大科研工作者的广泛关注。通过修饰的方法对这些碳纳米管进行相应的功能改进，这对于提升并扩宽其相应的应用领域是非常有必要的。

1.实验部分

(1)实验仪器与试剂试剂：多壁碳纳米管（纯度＞95%，武汉纳米有机研究所）；硫酸亚铁、三氯化铁、无水乙醇、亚甲基蓝，都为分析纯；NaOH、浓硫酸和浓硝酸，为化学纯。仪器：恒温水浴锅（型号为HH-S，金坛市环保仪器厂）；超声波清洗机（型号为AS-25BT，德州科教仪器厂）；电热恒温干燥箱（型号为：202-OB，天津市特斯泰仪器厂）；型号为Bruker的XRD，德国Brucker公司，探测器为万特500二维面探测器，工作电流为40mA，工作电压为40KV，扫面范围为2θ=20°-80°；(2)磁性碳纳米管的纯化和开口取1g多壁碳纳米管置于三颈圆底烧瓶（250ml）中，加入100mL体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸混合液中，置于超声波仪超声振荡30min，将三口烧瓶至于恒温水浴锅中，80℃恒温水浴，同时恒速搅拌,速度200r/min，恒温恒速12h。抽滤，洗涤至中性；将固相物置于电热鼓风干燥箱，100℃下干燥至恒重，即得纯化开口的碳纳米管。(3)磁性碳纳米管的制备将硫酸亚铁和三氯化铁按比例1:2（167mg硫酸亚铁和195mg三氯化铁）溶于200ml蒸馏水中，加入100mg纯化后的碳纳米管，搅拌并超声振荡20min，同时在快速搅拌下滴加浓度5mol/LNaOH溶液20mL，进行化学共沉淀反应，使铁的氧化物逐渐沉淀下来，调整溶液的pH为11-12。为了促进沉降速度，保持50℃恒温水浴30min，同时以300r/min的速度搅拌。(4)磁性碳纳米管的用于亚甲基染料污水的吸附实验准确量取10.00ml标液于100ml容量瓶中，定容，得10mg/L的标准溶液。分别量取此标准溶液体积为1ml、2ml、3ml、4ml、5ml用水定容至10ml的容量瓶，定容，得标准溶液1mg/L，2mg/L，3mg/L，4mg/L，5mg/L的溶液。通过改变磁性碳纳米管的用量、初始pH量的大小，来探讨各自对吸附剂吸附效率的影响。

2.结果与讨论

(1)XRD的表征分别将未修饰前的多壁碳纳米管和修饰以后的磁性碳纳米管进行XRD分析，如图1所示。从图1可以看出，对于原始的多壁碳纳米管，在31.8°出现了一个较强的特征吸收峰，其主要是对应碳纳米管结构中六角石墨结构的（002）晶面，而经过磁性铁氧体改性以后的多壁碳纳米管，除了在31.8°和44.5°出现较为明显的与碳纳米管相对应的特征峰之外，其还分别在13.4°、36.9°、62.9°和85.2°处共出现了4个不同强度的特征吸收峰，这可以认为是其中的铁氧体晶体，其不同晶面所对应的特征吸收峰。所以从该XRD分析图可以明确的证明铁氧体成功的对碳纳米管进行了改性。(2)吸附剂用量对于吸附情况的影响在电子天平上分别称取5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、30mg、35mg和40mg所制备的磁性碳纳米管，分别各自将其置于体积为100ml，浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液当中，进60min的吸附，控制反应的温度在30℃，同时在恒温水浴振荡器200r/min的条件下，进行震荡，考察吸附剂的用量对吸附效率的影响，见下图2所示。从上图2可以看出，吸附剂的用量对亚甲基蓝的去除效率存在较大的影响，刚开始随着吸附剂用量的增加，磁性吸附剂对亚甲基蓝的去除效率几乎成直线的方式来进行增加，当吸附剂的用量为25mg时，吸附剂亚甲基蓝的去除效率达到了96.12%，最佳的吸附剂用量为：100ml，浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液当中，需要使用25mg的吸附剂。(3)初始pH大小对吸附率的影响向体积为100ml，浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液当中，加入25mg的吸附剂，然后，再使用浓度为0.01mol/L的NaOH和HCl分别将上述溶液的pH调节到4、5、6、7、8、9和10，进60min的吸附，控制反应的温度在30℃，同时在恒温水浴振荡器200r/min的条件下，进行震荡，考察初始pH大小对吸附率的影响，见图3所示。图3初始溶液pH对吸附率的影响从上图3可以看出，初始溶液的pH值对吸附剂吸附亚甲基蓝的效率存在一定的影响，但影响不是很大。当处在酸性的条件下时，溶液当中还存在大量H+会与带正电荷的亚甲基蓝一起来对竞争吸附剂表面的活性吸附位置，从而导致吸附剂吸附亚甲基蓝的性能变差。但是从成本上考虑，最佳的初始溶液的pH应该选择7。

总结

(1)经过XRD分析，采用化学共沉淀法能成功的将铁氧体负载到碳纳米管上，而且其颗粒为纳米颗粒。(2)通过吸附亚甲基蓝的测试，100ml浓度为10mg/L亚甲基蓝溶液当中，吸附剂的最佳用量为25mg，最佳的初始溶液浓度pH=7，在此条件下最佳的吸附去除亚甲基蓝的效率为96.12%。

【参考文献】

[1]李绍秀,杨阳,张志强,王志红,李冬梅,崔逸阳,潘郑宇.磁性铁氧化物修饰碳纳米管去除水中红霉素的研究[J].环境科学与技术,2017,40(09):124-130.

[2]曹阳.内填充Fe3O4碳纳米管的制备及其吸附与增强特性研究[D].北京化工大学,2017.

[3]胡洋.高饱和磁化强度磁性碳纳米管的制备与性能研究[D].西南交通大学,2017.

[4]陈明东,揭晓华.碳纳米管/磁性氧化物涂料的制备及电磁特性研究进展[J].现代化工,2015,35(02):18-22.

[5]于飞.改性碳纳米管的制备及其对苯系物和重金属吸附特性研究[D].上海交通大学,2013.

[6]张宇.铁基金属纳米颗粒/纳米线磁性载体的PECVD制备[D].吉林大学,2010.

[7]黄钊.碳基磁性复合材料的制备和表征[D].中国科学技术大学,2008.

作者：薛文凤 刘浩 刁亚鹏 强围 计雅佳 单位：西北民族大学化工学院