磁性多壁碳纳米管的制备及其吸附性能研究

磁性多壁碳纳米管的制备及其吸附性能研究

染料废水通常具有复杂的芳环结构，难以直接生物降解。通常，吸附和化学氧化等处理方法应与其他处理方法相结合。其中，吸附法具有成本低、效率高、易操作、对有毒物质敏感等优点。被认为是其他染料废水处理技术的优点。作为一种新型的吸附材料，碳纳米管具有比表面更大、吸附能力强的优点，引起了人们的广泛关注。近年来，相关研究人员直接将碳纳米管作为吸附剂和载体，并对染料废水中的有机和无机物进行了吸附。除了结构因素外，骨碎片的粒径越小，比表面越大，性能越好，但粒径越小，难以分离，操作过程成本增加，资源浪费。磁分离技术作为一种高效、快速、经济的磁性材料分离方法，广泛应用于矿业、微生物、环境保护等领域。作者将磁分离技术应用于碳纳米管的吸附，研究了多壁碳纳米管的负荷性能。对于开发水处理材料，离开子纤维罗丹明b的吸附性能。1实验部分1.1多壁碳纳米管的分离硫酸亚铁铵(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)(分析纯),硫酸铁铵(NH4Fe(SO4)2·12H2O)(分析纯),氢氧化钠(分析纯),罗丹明B(分析纯),硝酸(分析纯).多壁碳纳米管(MWNTs)(管径10～20nm)购自深圳纳米港公司,磁铁用于从溶液中分离磁性碳管.1.2磁性碳管的制备称取1.0g的MWNTs加入到250mL三口瓶中,加入100mL硝酸,60℃恒温水浴,同时恒速(200r/min)搅拌12h,进行多壁碳纳米管(MWNTs)的纯化处理.自然冷却至室温,用蒸馏水洗涤后,放入烘箱,100℃干燥4h后,置于干燥器中备用.利用纯化后的MWNTs进行磁性碳管的合成.磁性碳管的合成是在碱性溶液中使Fe2+、Fe3+反应生成磁性氧化铁颗粒沉淀在MWNTs表面而制成的.Fe2+、Fe3+的摩尔比为1:2.在50℃并通入氮气的条件下,将1.0g的MWNTs悬浮在含有1.7g(4.33mmol)(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O和2.51g(8.66mmol)NH4Fe(SO4)2·12H2O的200mL水溶液中.将溶液超声波降解10min,同时逐滴加入10mL的8mol/L氨水溶液,使铁的氧化物沉淀下来.混合液的pH值保持在11～12.为了促进反应,保持50℃的恒温水浴30min并进行300r/min的恒速搅拌.反应完成后,用磁铁将生成的磁性碳管复合物从悬浮液中分离出来,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤3次,真空干燥后放入干燥器备用.1.3样品晶相分析使用扫描电子显微镜(SEM,JSM-6700F)观察样品的表面形貌结构,使用X射线衍射分析仪(XRD,D-5000)分析样品中磁性组分的晶相,使用zeta电位测定仪(ZETASIZER)分析样品不同pH值条件下表面电位的变化.1.4罗丹明b的浓度目标污染物罗丹明B在磁性碳纳米管上的吸附动力学、吸附等温线、吸附剂用量的影响以及pH值的影响,由批次实验确定.罗丹明B的浓度采用紫外吸收分光光度计(UV-2000)测定,其吸收波长为554nm.1.4.1罗丹明b的测定称取75mg磁性碳管加入到盛有150mL浓度为10×10-6mol/L的锥形瓶中,磁性碳管的浓度为0.5g/L,溶液的初始pH值为4.5,恒温(30±1)℃振荡,每隔一定时间用磁铁分离吸附剂后,取样测定罗丹明B的浓度.1.4.2罗丹明b残留浓度测定罗丹明B的的初始浓度从3×10-6mol/L增加到30×10-6mol/L,溶液的初始pH值为4.5±0.1,恒温(30±1)℃震荡24h,用磁铁分离吸附剂后测定溶液中罗丹明B的残留浓度.吸附剂用量的影响实验在罗丹明B的浓度均为10×10-6mol/L,溶液的初始pH值为4.5±0.1的条件下,磁性碳管的浓度从0.1g/L增加到0.9g/L恒温(30±1)℃震荡24h,用磁铁分离吸附剂后测定溶液中罗丹明B的残留浓度.1.5处理数据实验结果采用SigmaPlot10.0软件进行回归分析.2结果与讨论2.1多壁碳纳米管和磁性多壁碳纳米管zeta电位的表征通过化学共沉淀的方法使铁氧化物颗粒沉淀在碳纳米管的表面制备成磁性碳管,测试表明,产物有良好的磁性,可以完全被磁铁吸引.把所制备的磁性多壁碳纳米管吸附剂加入罗丹明B染料溶液时,红色的罗丹明B溶液变成黑色悬浊液,吸附一段时间后,在磁场作用下磁性多壁碳纳米管吸附剂很容易从悬浊液中迅速分离,并且处理过的罗丹明B溶液已经从红色变成无色.因此,磁性多壁碳纳米管吸附剂与普通吸附剂相比,其最大的优势在于它能在磁场作用下从水溶液中快速地分离,便于吸附剂的回收处理.对制备的磁性碳管进行了扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析,并测定其zeta电位.多壁碳纳米管和磁性多壁碳纳米管的SEM形貌如图1(a),图1(b)所示.图1(a)中的多壁碳纳米管呈细长管状,多条碳管相互堆叠缠绕呈不规则状.图1(b)显示多壁碳纳米管表面附着了铁氧化物的细小颗粒(图中箭头所指即为铁氧化物颗粒).如图2所示,在图2a,b上均出现了多壁碳纳米管的特征峰[2θ(°)=26.1].铁的氧化物主要包括4种,分别为:Fe3O4(Mn),γ-Fe2O3(Mh),α-Fe2O3(H)和FeO(OH).其中只有Fe3O4和γ-Fe2O3有磁性.图2a中出现了[2θ(°)为30.2,35.6,43.3,57.2]4个峰,它们代表Fe3O4或γ-Fe2O3,[2θ(°)为53.7,68.2]2个峰说明磁性多壁碳纳米管中可能还存在α-Fe2O3.不同pH值条件下多壁碳纳米管和磁性多壁碳纳米管的zeta电位见图3.由图3可见,pH2～10的范围内,多壁碳纳米管和磁性多壁碳纳米管的zeta电位均随pH值的增加而降低,磁性多壁碳纳米管所带的电荷由正变为负,不带磁性的多壁碳纳米管一直带负电荷,可见负载磁性颗粒后会使吸附剂表面电位有一定程度的升高.2.2吸附性能评价2.2.1基于吸附动力学的吸附行为研究由图4可见,在吸附的初始阶段,磁性碳管对水中罗丹明B的吸附比较迅速,7.5h时去除率达到了87.5%,随后去除率缓慢上升,20h时达到吸附平衡,去除率不再上升.基于动力学实验结果,在其他批式实验中,24h的混合接触可以使吸附反应充分达到平衡.将图4中的数据代入Langergren准一级动力学方程:ln(qe-qt)=ln(qe)-kt,式中:qe,qt分别为吸附平衡时和t时刻的吸附量,mg/g;k为速率常数.图5为吸附的Langergren方程拟合,R2=0.972,符合Langergren准一级反应动力学方程.2.2.2angmoir方程用Langmuir方程对实验数据进行拟合,结果如图6所示.由图6可见,Langmuir方程能很好地描述磁性碳管对水中罗丹明B的吸附行为,R2=0.996,计算出最大吸附容量Qm为11.02mg/g,吸附系数KL为34.89L/mg(Langmuir方程计算出的最大吸附量视为最大吸附容量).2.2.3吸附剂用量对染料去除率的影响磁性多壁碳纳米管用量对吸附水中罗丹明B效果的影响(图7).当罗丹明B的浓度为10×10-6mol/L时,在吸附剂0.1～0.9g/L的范围内,随着用量的增加,染料的去除率从13.7%增加到99.6%;在0.1～0.5g/L之间去除率迅速升高;0.5g/L以上时,去除率的增加趋于平缓进而达到平衡.染料去除