pH响应纳米Fe3O4@mSiO2的制备及其对双酚A的回收研究

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苯基有机化合物由于分子内含苯环及其较强的疏水作用,在废水处理方面应用较多,广泛应用于废水中酚类物质的处理。磁性Fe3O4纳米颗粒兼具纳米材料的基本特性和磁性能。将苯基有机分子与磁性Fe3O4纳米颗粒相结合,制备成苯基功能化磁性纳米复合材料,一方面可利用磁性Fe3O4纳米颗粒的磁学特性,实现材料的循环回用;另一方面可以充分利用有机分子内苯环对不同pH的敏感程度及其分子本身的疏水性能,实现对废水中酚类污染物的选择性吸脱附,为酚类资源的回收提供了一条可行性路线。本论文重点阐述了三种磁性纳米复合材料的制备、表征及对双酚A的吸附性能,并对其吸附过程的吸附动力学和吸附等温线模型进行了深入讨论,详细介绍了三种吸附材料对双酚A的吸附过程。最后考察了制备的复合材料的循环回用性能,具体研究内容包括:(1)采用水热合成法制得直径约为250 nm的磁性Fe3O4纳米颗粒,通过在其外层包裹介孔氧化硅制得核壳结构磁性纳米复合材料(Fe3O4@mSiO2)。制备了磁性Fe3O4@mSiO2纳米材料,并对其微观形貌和表面接枝情况进行了详细的表征。然后以双酚A为目标物,考察了Fe3O4@mSiO2对双酚A的吸附性能,并对吸附动力学和吸附等温线模型进行分析,探究了Fe3O4@mSiO2对双酚A的吸附过程机理。结果表明,Fe3O4@mSiO2对双酚A的吸附量为87 mg/L,吸附过程符合拟二级动力学模型,吸附等温线模型符合Langmuir单分子吸附模型。(2)采用硅烷偶联剂苯基三乙氧基硅烷(PhTES)对上述Fe3O4@mSiO2纳米颗粒表面进行苯基改性,制备出Fe3O4@mSiO2@PhTES磁性纳米复合材料,并对改性后纳米颗粒的表面接枝情况和颗粒的形貌结构进行表征。结果表明,PhTES能够被成功修饰在Fe3O4@mSiO2表面,接枝率为4%。Fe3O4@mSiO2@PhTES对双酚A的吸脱附循环实验表明,相同条件下,Fe3O4@mSiO2@PhTES对双酚A的吸附量(109mg/L)明显高于Fe3O4@mSiO2对双酚A的吸附量(87 mg/L)。这是由于PhTES分子中的苯环能够以π-π共轭方式与双酚A分子中苯环发生作用,从而提高磁性Fe3O4@mSiO2复合材料对双酚A的吸附性能。循环回用实验表明,Fe3O4@mSiO2@PhTES复合材料的脱附效率较高,在七次循环回用实验中脱附效率可维持在90%以上。(3)由于改性有机分子中的苯基能够提高磁性复合材料对双酚A吸附量,为了进一步提高其吸附性能,采用含有两个苯环的二苯基二乙氧基硅烷(DPDES)对Fe3O4@mSiO2颗粒表面进行苯基改性,制备出Fe3O4@mSiO2@DPDES磁性纳米复合材料。同样对改性后纳米颗粒的表面接枝情况和颗粒的形貌结构进行表征。结果表明,DPDES能够成功修饰Fe3O4@mSiO2颗粒表面,接枝率为12%。Fe3O4@mSiO2@DPDES对双酚A的吸附实验表明,相同条件下,Fe3O4@mSiO2@DPDES对双酚A的吸附量(121 mg/L)相对于Fe3O4@mSiO2@PhTES对双酚A的吸附量(109 mg/L)又有所提高。当固定脱附液pH=2时,可保证前五次循环中材料的脱附效率高达90%以上。最后,本论文对制备的三种磁性纳米复合吸附剂(Fe3O4@mSiO2、Fe3O4@mSiO2@PhTES和Fe3O4@mSiO2@DPDES)的结构、性质及对双酚A的吸附和材料的循环回用等做了总结,并对磁性纳米材料未来的研究方向和应用领域做出展望。
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