[發明專利]一種多孔結構的碳鐵復合材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 202010088766.5
• 申請日: 2020-02-12
• 公開（公告）號: CN111359580A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 雷菊英;張金龍;劉勇弟;顧文怡;王靈芝;周亮;芮俊男;肖萬紫;于師潼
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;B01J23/745;B01J35/02;B01J35/10;C02F1/28;C02F1/72;C02F101/30
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本發明提供了一種具有多孔結構的碳鐵復合材料的制備方法及其應用，該材料在廣泛的pH條件下可以作為多種抗生素的吸附劑和芬頓反應催化劑。該材料以金屬有機框架為原料，采用一步熱解法，控制退火條件進行合成，得到的材料中鐵納米顆粒均勻負載在具有多孔結構的超薄碳納米片表面。其中，多孔結構能夠有效增強物質的傳輸和捕獲能力，同時多孔碳納米片上負載的鐵納米顆粒，能通過過渡金屬表面的位點與抗生素分子絡合，進一步提升吸附效率，使材料比普通活性炭具有更好的吸附性能。此外，鐵納米顆粒也是芬頓反應的活性位點，可以循環吸附污染物。同時材料具有磁性，可以快速方便地從水相中進行回收。因此該材料是一種綠色、高效、可循環使用的吸附劑。

技術領域

本發明涉及一種可用于廣泛的pH條件下的抗生素廢水的非均相吸附劑，屬于吸附技術領域。

背景技術

抗生素廣泛應用于人類和動物疾病的治療以及農業抗菌劑，全世界的使用量每年超過100000噸，其污染來源十分廣泛，如醫用廢水、畜禽糞便農用廢水、污水處理廠廢水等。由于抗生素容易在環境中積累，且在淡水中檢測到顯著濃度，所以極易通過食物鏈遷移，對環境和人類健康造成威脅。

目前為止，針對去除廢水中抗生素的處理技術有吸附法、生物法、膜法和高級氧化法(AOPs)等。在這些處理技術中，吸附法因其低成本、簡單操作和無二次污染，是具有顯著優勢的處理方法，但是由于吸附速率、容量和再循環性不足，現有的吸附劑還存在缺陷，因此迫切需要更合適的吸附劑。

活性炭是常用的碳材料，由于較大的比表面積，在水處理中是去除有機物的有效吸附劑。但是活性炭對于四環素的吸附容量不足，而且從水中分離出吸附劑的傳統過濾方法會導致過濾器堵塞或吸附劑損失。磁分離技術的應用可以快速有效的固液分離，避免了費時的過濾操作。碳材料的高比表面疏水性使其能夠吸附許多疏水性有機化合物。但是，如果固體粉末高度分散在液相中，則分散在水中的碳材料通常難以快速地從液相中分離出來。因此，碳包封的磁性金屬納米粒子由于其磁性而具有巨大的潛力，這有助于碳和液體的快速分離。

隨著抗生素的廣泛使用，如何高效處理這些難降解有機污染物已然成為了當前亟需解決的問題。本發明所制備的磁性吸附材料能在2小時內完全吸附低濃度(＜70mg/L)的四環素，對四環素類抗生素具有極大的吸附容量。同時，對喹諾酮類和磺胺類抗生素也有吸附效果。此外，可以通過磁分離回收吸附劑，再額外添加H₂O₂利用Fenton反應降解吸附的污染物使材料得到再生。這種材料符合節能環保的目標，可以預見這種材料有望成為去除抗生素的理想材料。

發明內容

本發明提供了一種具有多孔結構的碳鐵復合材料的制備方法及其應用，該材料在廣泛的pH條件下可以作為多種抗生素的吸附劑和芬頓反應催化劑。該材料以金屬有機框架為原料，采用一步熱解法，控制退火條件進行合成，得到的材料中鐵納米顆粒均勻負載在具有多孔結構的超薄碳納米片表面。其中，多孔結構能夠有效增強物質的傳輸和捕獲能力，同時多孔碳納米片上負載的鐵納米顆粒，能通過過渡金屬表面的位點與抗生素分子絡合，進一步提升吸附效率，使材料比普通活性炭具有更好的吸附性能。此外，鐵納米顆粒也是芬頓反應的活性位點，通過添加H₂O₂發生芬頓反應使吸附的污染物完全礦化，材料得到有效的再生，可以循環吸附污染物。同時材料具有磁性，可以快速方便地從水相中進行回收。因此該材料是一種綠色、高效、可循環使用的吸附劑。

具體的，本發明提供一種多孔結構的碳鐵復合材料的制備方法，其特征在于具體制備步驟如下：

1)將一定量的FeCl₃溶解在N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethyl formamide，DMF)中得到溶液A；再將對苯二甲酸溶解在N,N-二甲基甲酰胺中得到溶液B；在將溶液A倒入溶液B中；兩者均勻混合后倒入水熱釜中水熱反應，將反應液離心，將得到的沉淀依次用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、水各洗滌若干次，干燥，得到橙色粉末，即MIL-101(Fe)；