磁性多壁碳納米管的制備及其吸附性能研究

磁性多壁碳納米管的制備及其吸附性能研究

染料廢水通常具有復(fù)雜的芳環(huán)結(jié)構(gòu)，難以直接生物降解。通常，吸附和化學(xué)氧化等處理方法應(yīng)與其他處理方法相結(jié)合。其中，吸附法具有成本低、效率高、易操作、對(duì)有毒物質(zhì)敏感等優(yōu)點(diǎn)。被認(rèn)為是其他染料廢水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型的吸附材料，碳納米管具有比表面更大、吸附能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。近年來，相關(guān)研究人員直接將碳納米管作為吸附劑和載體，并對(duì)染料廢水中的有機(jī)和無機(jī)物進(jìn)行了吸附。除了結(jié)構(gòu)因素外，骨碎片的粒徑越小，比表面越大，性能越好，但粒徑越小，難以分離，操作過程成本增加，資源浪費(fèi)。磁分離技術(shù)作為一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的磁性材料分離方法，廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、微生物、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。作者將磁分離技術(shù)應(yīng)用于碳納米管的吸附，研究了多壁碳納米管的負(fù)荷性能。對(duì)于開發(fā)水處理材料，離開子纖維羅丹明b的吸附性能。1實(shí)驗(yàn)部分1.1多壁碳納米管的分離硫酸亞鐵銨(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O)(分析純),硫酸鐵銨(NH4Fe(SO4)2·12H2O)(分析純),氫氧化鈉(分析純),羅丹明B(分析純),硝酸(分析純).多壁碳納米管(MWNTs)(管徑10～20nm)購(gòu)自深圳納米港公司,磁鐵用于從溶液中分離磁性碳管.1.2磁性碳管的制備稱取1.0g的MWNTs加入到250mL三口瓶中,加入100mL硝酸,60℃恒溫水浴,同時(shí)恒速(200r/min)攪拌12h,進(jìn)行多壁碳納米管(MWNTs)的純化處理.自然冷卻至室溫,用蒸餾水洗滌后,放入烘箱,100℃干燥4h后,置于干燥器中備用.利用純化后的MWNTs進(jìn)行磁性碳管的合成.磁性碳管的合成是在堿性溶液中使Fe2+、Fe3+反應(yīng)生成磁性氧化鐵顆粒沉淀在MWNTs表面而制成的.Fe2+、Fe3+的摩爾比為1:2.在50℃并通入氮?dú)獾臈l件下,將1.0g的MWNTs懸浮在含有1.7g(4.33mmol)(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O和2.51g(8.66mmol)NH4Fe(SO4)2·12H2O的200mL水溶液中.將溶液超聲波降解10min,同時(shí)逐滴加入10mL的8mol/L氨水溶液,使鐵的氧化物沉淀下來.混合液的pH值保持在11～12.為了促進(jìn)反應(yīng),保持50℃的恒溫水浴30min并進(jìn)行300r/min的恒速攪拌.反應(yīng)完成后,用磁鐵將生成的磁性碳管復(fù)合物從懸浮液中分離出來,分別用蒸餾水和無水乙醇洗滌3次,真空干燥后放入干燥器備用.1.3樣品晶相分析使用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-6700F)觀察樣品的表面形貌結(jié)構(gòu),使用X射線衍射分析儀(XRD,D-5000)分析樣品中磁性組分的晶相,使用zeta電位測(cè)定儀(ZETASIZER)分析樣品不同pH值條件下表面電位的變化.1.4羅丹明b的濃度目標(biāo)污染物羅丹明B在磁性碳納米管上的吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線、吸附劑用量的影響以及pH值的影響,由批次實(shí)驗(yàn)確定.羅丹明B的濃度采用紫外吸收分光光度計(jì)(UV-2000)測(cè)定,其吸收波長(zhǎng)為554nm.1.4.1羅丹明b的測(cè)定稱取75mg磁性碳管加入到盛有150mL濃度為10×10-6mol/L的錐形瓶中,磁性碳管的濃度為0.5g/L,溶液的初始pH值為4.5,恒溫(30±1)℃振蕩,每隔一定時(shí)間用磁鐵分離吸附劑后,取樣測(cè)定羅丹明B的濃度.1.4.2羅丹明b殘留濃度測(cè)定羅丹明B的的初始濃度從3×10-6mol/L增加到30×10-6mol/L,溶液的初始pH值為4.5±0.1,恒溫(30±1)℃震蕩24h,用磁鐵分離吸附劑后測(cè)定溶液中羅丹明B的殘留濃度.吸附劑用量的影響實(shí)驗(yàn)在羅丹明B的濃度均為10×10-6mol/L,溶液的初始pH值為4.5±0.1的條件下,磁性碳管的濃度從0.1g/L增加到0.9g/L恒溫(30±1)℃震蕩24h,用磁鐵分離吸附劑后測(cè)定溶液中羅丹明B的殘留濃度.1.5處理數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行回歸分析.2結(jié)果與討論2.1多壁碳納米管和磁性多壁碳納米管zeta電位的表征通過化學(xué)共沉淀的方法使鐵氧化物顆粒沉淀在碳納米管的表面制備成磁性碳管,測(cè)試表明,產(chǎn)物有良好的磁性,可以完全被磁鐵吸引.把所制備的磁性多壁碳納米管吸附劑加入羅丹明B染料溶液時(shí),紅色的羅丹明B溶液變成黑色懸濁液,吸附一段時(shí)間后,在磁場(chǎng)作用下磁性多壁碳納米管吸附劑很容易從懸濁液中迅速分離,并且處理過的羅丹明B溶液已經(jīng)從紅色變成無色.因此,磁性多壁碳納米管吸附劑與普通吸附劑相比,其最大的優(yōu)勢(shì)在于它能在磁場(chǎng)作用下從水溶液中快速地分離,便于吸附劑的回收處理.對(duì)制備的磁性碳管進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)分析,并測(cè)定其zeta電位.多壁碳納米管和磁性多壁碳納米管的SEM形貌如圖1(a),圖1(b)所示.圖1(a)中的多壁碳納米管呈細(xì)長(zhǎng)管狀,多條碳管相互堆疊纏繞呈不規(guī)則狀.圖1(b)顯示多壁碳納米管表面附著了鐵氧化物的細(xì)小顆粒(圖中箭頭所指即為鐵氧化物顆粒).如圖2所示,在圖2a,b上均出現(xiàn)了多壁碳納米管的特征峰[2θ(°)=26.1].鐵的氧化物主要包括4種,分別為:Fe3O4(Mn),γ-Fe2O3(Mh),α-Fe2O3(H)和FeO(OH).其中只有Fe3O4和γ-Fe2O3有磁性.圖2a中出現(xiàn)了[2θ(°)為30.2,35.6,43.3,57.2]4個(gè)峰,它們代表Fe3O4或γ-Fe2O3,[2θ(°)為53.7,68.2]2個(gè)峰說明磁性多壁碳納米管中可能還存在α-Fe2O3.不同pH值條件下多壁碳納米管和磁性多壁碳納米管的zeta電位見圖3.由圖3可見,pH2～10的范圍內(nèi),多壁碳納米管和磁性多壁碳納米管的zeta電位均隨pH值的增加而降低,磁性多壁碳納米管所帶的電荷由正變?yōu)樨?fù),不帶磁性的多壁碳納米管一直帶負(fù)電荷,可見負(fù)載磁性顆粒后會(huì)使吸附劑表面電位有一定程度的升高.2.2吸附性能評(píng)價(jià)2.2.1基于吸附動(dòng)力學(xué)的吸附行為研究由圖4可見,在吸附的初始階段,磁性碳管對(duì)水中羅丹明B的吸附比較迅速,7.5h時(shí)去除率達(dá)到了87.5%,隨后去除率緩慢上升,20h時(shí)達(dá)到吸附平衡,去除率不再上升.基于動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在其他批式實(shí)驗(yàn)中,24h的混合接觸可以使吸附反應(yīng)充分達(dá)到平衡.將圖4中的數(shù)據(jù)代入Langergren準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程:ln(qe-qt)=ln(qe)-kt,式中:qe,qt分別為吸附平衡時(shí)和t時(shí)刻的吸附量,mg/g;k為速率常數(shù).圖5為吸附的Langergren方程擬合,R2=0.972,符合Langergren準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程.2.2.2angmoir方程用Langmuir方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖6所示.由圖6可見,Langmuir方程能很好地描述磁性碳管對(duì)水中羅丹明B的吸附行為,R2=0.996,計(jì)算出最大吸附容量Qm為11.02mg/g,吸附系數(shù)KL為34.89L/mg(Langmuir方程計(jì)算出的最大吸附量視為最大吸附容量).2.2.3吸附劑用量對(duì)染料去除率的影響磁性多壁碳納米管用量對(duì)吸附水中羅丹明B效果的影響(圖7).當(dāng)羅丹明B的濃度為10×10-6mol/L時(shí),在吸附劑0.1～0.9g/L的范圍內(nèi),隨著用量的增加,染料的去除率從13.7%增加到99.6%;在0.1～0.5g/L之間去除率迅速升高;0.5g/L以上時(shí),去除率的增加趨于平緩進(jìn)而達(dá)到平衡.染料去除