[發明專利]一種功能化磁性碳質材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201610246810.4
• 申請日: 2016-04-18
• 公開（公告）號: CN105727913A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 傅瑞琪;徐新華;樓子墨;劉榆;周曉馨;孫悅
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J20/30
• 分類號: B01J20/30;B01J20/20;B01J20/28;C02F1/28;C02F101/20
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 朱瑩瑩

技術領域

本發明屬于功能材料和磁性材料技術領域，特別涉及一種功能化磁性碳質材料及其制備方法和應用，主要應用于廢水中重金屬的吸附去除。

背景技術

磁性納米材料因其特殊的磁學效應，如超順磁性，在外加磁場作用下，可精準地對其進行定位、轉移和分離，在生物醫學、化工、環境、制藥等領域具有廣闊的應用前景。但由于其具有較高的比表面積和易團聚現象，對其進行適當的表面修飾以降低其表面能，可得到化學穩定性好、生物相容性佳，可分散的磁性納米粒子。碳質材料(活性炭、納米碳管、石墨烯等)因具有比表面積大、多孔性、熱穩定性好、機械強度高等優點被廣泛應用于水中重金屬的去除。其中活性碳來源廣泛、成本較低、對環境沒有污染，是碳質材料中應用最廣的。但活性炭表面的高疏水性、低吸附效率、難分離等缺點限制了其應用范圍，因此對其進行表面改性。將活性炭與磁性納米顆粒有機結合可制備出不同比例的復合載體，增強材料的分散性和分離性能。在載體表面引入相應官能基團得到新型復合材料，增強其對重金屬吸附選擇性。

合成無機磁性顆粒及功能化材料的方法很多。常采用操作較易、成本較低的化學法獲得磁性納米粒子，如共沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、水熱/溶劑熱法、熱分解法、靜電紡絲法等。功能化材料主要采用無機載體與有機物/無機物形成復合材料的方式，通過表面化學連接、表面聚合反應、表面吸附沉積等在載體表面包覆有機小分子、有機高分子和無機材料等。但這些方法都存在各自的不足之處，其產物的形貌及性質也不盡相同，尺寸可控、表面官能團修飾含量高、磁性能強、合成工藝簡單低耗的功能化磁性碳質材料及制備方法需要進一步探索。

發明內容

本發明的目的是針對當前工業廢水中重金屬處理現狀、磁性納米材料以及功能化材料合成方法存在的問題，提供一種尺寸可控、表面官能團修飾含量高、磁性能強的功能化磁性碳質材料。

一種功能化磁性碳質材料，所述磁性納米粒子與活性炭表面共價結合，特定官能團的硅烷偶聯劑通過硅烷化反應修飾在磁性碳質材料表面。

優選的，所述功能化磁性碳質材料的活性碳(AC)和四氧化三鐵(Fe3O4)質量比為1:0.25。

另外，本發明借鑒共沉淀法和硅烷化法的優點，采用一步法直接在碳質材料表面合成具有官能團的磁性碳質材料，合成工藝簡單低耗。

本發明所涉及的功能化磁性碳質材料修飾方式是：(1)在表面活性劑作用下，磁性納米粒子通過共沉淀法合成并與碳質材料表面共價結合；(2)在醇水混合溶劑以及催化劑作用下，二氧化硅前驅體水解出的硅醇鍵與磁性碳質材料表面的羥基及硅醇鍵自身發生縮聚反應；(3)含特定官能團的硅烷偶聯劑通過硅烷化反應修飾在磁性碳質材料表面；(4)調節磁性納米粒子與碳質材料不同質量比通過溶膠凝膠法得到表面官能團修飾含量高，能快速從廢水中磁分離的新型復合材料。

根據本發明的目的，本發明涉及一種能對碳質材料磁性改性、表面功能化的方法，該方法的具體步驟為：

(1)將0.2～3.0g三價鐵鹽和0.1～2.0g二價鐵鹽溶解于去離子水中，加入表面活性劑和0.5～1.0g活性碳，超聲分散得到混合溶液；

(2)混合溶液在流速為50～300mL/min的N₂保護下升溫至40～80℃，滴加5～10mL氨水使體系呈pH為8～12，在300～600r/min轉速下持續攪拌1～3小時得到黑色固體，通過調節活性碳(AC)和四氧化三鐵(Fe₃O₄)的質量百分比制得不同分散性能和磁性能的磁性活性碳載體(AC/Fe₃O₄)；

(3)將制得的磁性活性碳載體加入到100～200mL醇水混合溶液中，在堿性條件下依次加入1～3mL二氧化硅前驅體和0.2～1mL帶特定官能團的硅烷偶聯劑，10～50℃下反應3～8小時后，用磁分離方法分離產物，得到官能團修飾的磁性活性碳復合材料。