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CN101638218A - 一种纳米复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种纳米复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米复合材料及其制备方法与应用。该方法，包括如下步骤：将金属氧化物前体的有机溶液均匀负载于多孔材料的表面及孔道中，通过原位化学反应将金属氧化物前体转化为相应的金属氧化物，得到所述纳米复合材料。本发明利用多孔材料的孔道结构和大比表面，将金属氧化物的纳米材料均匀附载在多孔材料表面。该方法工艺简单、安全、成本低，适于大规模生产，反应体系中溶剂的毒性小，环境污染小，制备所得复合纳米材料可用于吸附消除水中的重金属离子，效果突出，从而将不适于饮用的水资源提纯为符合国家标准的可饮用水。

Description

一种纳米复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种纳米复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
水中杂质的消除是关系人民生活的重要方面。在我国的相当多地区，地下水中含有砷等重金属离子，严重影响人民的生活和健康。通过吸附消除水中的重金属离子可以将不适于饮用的水资源提纯为可饮用水。使用安全、成本低，消除重金属离子效率高的材料具有广阔的应用前景。迄今为止，已经有多种材料被用来消除水中的重金属离子。
现有水处理的方法可以分为两类，一是沉淀方法，将水中重金属离子以难溶于水的化合物形式沉淀分离，适用于含重金属离子浓度较高的水的处理；另一类是吸附方法，但该方法吸附效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米复合材料及其制备方法与应用。
本发明提供的制备纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将金属氧化物前体的溶液均匀负载于多孔材料的表面及孔道中，通过原位化学反应将金属氧化物前体转化为相应的金属氧化物，得到所述纳米复合材料。
该方法中，所述金属氧化物前体为铁、钴、锡、钛、锌和铈中任意一种金属元素的硝酸盐、硫酸盐、氯化物或醋酸盐；所述多孔材料选自硅胶、活性炭、高岭土、分子筛和氧化铝中的至少一种；所述金属氧化物前体的溶液中，溶剂选自水、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种。
所述金属氧化物前体溶液的浓度为1-65wt％，优选30-50％；所述金属氧化物前体与所述多孔材料的质量份数比为1∶2-4。
该方法中，原位化学反应的方法是下述方法a或方法b；
方法a：向金属氧化物前体和多孔材料组成的反应体系中加入pH值为9-14的碱性溶液，进行原位化学反应；
方法b：在150-800℃的条件下，将金属氧化物前体和多孔材料组成的反应体系进行原位化学反应。
方法a中，反应温度为20-80℃，反应时间为1-30分钟，优选10-20分钟；所述碱性溶液的浓度为5-40wt％；碱性溶液选自氨水、甲胺的水溶液、乙胺的水溶液和乙二胺的水溶液中的至少一种；
方法b中，反应时间为30-720分钟，反应温度优选200-300℃，反应气氛为真空度为0-1.0大气压的惰性气氛或大气气氛，优选1.0大气压的大气气氛。
在上述原位化学反应完毕后，可用水洗或灼烧的方法除去反应中残留或产生的其它化学物质。
按照上述方法制备得到的纳米复合材料及该材料在制备水处理材料尤其是重金属(如汞、砷和镉中的至少一种)吸附材料中的应用，也属于本发明的保护范围。
本发明利用多孔材料的孔道结构和大比表面，将金属氧化物的纳米材料均匀附载在多孔材料表面。该方法工艺简单、安全、成本低，适于大规模生产，反应体系中溶剂的毒性小，环境污染小，制备所得复合纳米材料可用于吸附消除水中的重金属离子，效果突出，从而将不适于饮用的水资源提纯为符合国家标准的可饮用水。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例；本发明(包括下述实施例)中所有的溶液浓度均为质量百分比浓度。
实施例1、
一、制备纳米复合材料
称取250g分析纯的九水硝酸铁，溶解在600mL水中，得到九水硝酸铁水溶液。称取1Kg活性炭(购自国药集团化学试剂公司)，将该硝酸铁溶液慢慢滴加并不断搅拌混合，最终加入1000mL上述硝酸铁溶液，静置一段时间后过滤分离得到含有铁盐前体的活性炭。将其在300℃下空气下加热12h，使硝酸铁分解得到负载氧化铁的活性炭。
二、水处理试验
用两种重金属离子含量不同的污水按照下述方法进行水处理试验。
1、
将上述负载氧化铁的活性炭材料200克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备成过滤柱。然后将1000毫升含有1.0mg/L浓度的汞离子水溶液以2升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的汞离子浓度，实验重复三次，得到处理后的汞离子浓度平均值为0.005mg/L。
2、
将上述负载氧化铁的活性炭材料200克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备成过滤柱。然后将2000毫升含有10mg/L浓度的砷离子水溶液以4升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的砷离子浓度，实验重复三次，得到处理后的汞离子浓度平均值为0.5mg/L。
实施例2、
一、制备纳米复合材料
称取50g分析纯的九水硝酸铁，溶解在600mL水中，得到九水硝酸铁水溶液。称取1Kg活性炭(购自国药集团化学试剂公司)，将该硝酸铁溶液慢慢滴加并不断搅拌混合，最终加入1000mL上述硝酸铁溶液，静置一段时间后过滤分离得到含有铁盐前体的活性炭。将其在通氮气的条件下，500℃加热6h，使硝酸铁完全分解得到负载氧化铁的活性炭。
二、水处理试验
将上述负载氧化铁的活性炭材料200克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将1000毫升含有1.0mg/L浓度的汞离子水溶液以2升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的汞离子浓度，实验重复三次，得到处理后的汞离子浓度平均值为0.01mg/L。
实施例3、
一、制备纳米复合材料
向实施例1中的含有铁盐前体的活性炭中加入200mL 25％的氨水于常温(15-30℃)充分搅拌10分钟，过滤并水洗6次，将其在80℃下空气中烘干。
二、水处理试验
将上述负载氧化铁的活性炭材料200克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将2000毫升含有0.2mg/L浓度的砷离子水溶液以4升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的砷离子浓度，实验重复三次，得到处理后的砷离子浓度平均值为0.001mg/L，符合国家饮用水标准。
实施例4、
一、制备纳米复合材料
向实施例1中的含有铁盐前体的活性炭中加入200mL 25％的甲胺溶液于常温(10-20℃)充分搅拌30分钟，过滤并水洗5次，将其在250℃下空气中烘干。
二、水处理试验
将上述负载氧化铁的活性炭材料200克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将1000毫升含有1.0mg/L浓度的汞离子水溶液以2升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的汞离子浓度，实验重复三次，得到处理后的汞离子浓度平均值为0.05mg/L。
实施例5、
一、制备纳米复合材料
称取500g分析纯氯化铁，溶解在300mL水中，得到氯化铁水溶液。称取1Kg硅胶(购自北京化学试剂公司)，将氯化铁溶液慢慢滴加并不断搅拌混合，最终加入1000mL溶液，静置一段时间后过滤分离得到含有铁盐前体的硅胶。向含有铁盐前体的硅胶中加入200mL 25％的氨水于常温(15-30℃)充分搅拌15分钟，过滤并水洗多次，将其在80℃下空气中烘干。
二、水处理试验
将上述负载氧化铁的硅胶材料160克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将1000毫升含有0.2mg/L浓度的砷离子水溶液以2升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的砷离子浓度，实验重复三次，得到处理后的砷离子浓度平均值为0.005mg/L，符合国家饮用水标准。
实施例6、
一、制备纳米复合材料
称取200g分析纯硫酸铁，溶解在300mL水中，得到硫酸铁水溶液。称取500g氧化铝(购自北京化学试剂公司)，将硫酸铁溶液慢慢滴加并不断搅拌混合，最终加入500mL溶液，静置一段时间后过滤分离得到含有铁盐前体的氧化铝。向含有铁盐前体的氧化铝中加入500mL 25％的氨水充分搅拌，过滤并水洗多次，将其在80℃下空气中烘干。
二、水处理试验
将上述负载氧化铁的氧化铝材料160克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将1000毫升含有0.2mg/L浓度的镉离子水溶液以1升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的镉离子浓度，实验重复三次，得到处理后的镉离子浓度平均值为0.005mg/L。
实施例7、
一、制备纳米复合材料
称取500g分析纯六水硝酸铈，溶解在300mL水中，得到硝酸铈水溶液。称取1Kg硅胶，将硝酸铈溶液慢慢滴加并不断搅拌混合，最终加入1000mL溶液，静置一段时间后过滤分离得到含有铈盐前体的硅胶。将其在250℃下空气下加热12h，得到负载氧化铈的硅胶。
二、水处理试验
将上述负载氧化铈的硅胶材料160克装填到直径6厘米的玻璃管中，制备为过滤柱。然后将1000毫升含有0.2mg/L浓度的砷离子水溶液以2升/小时的流速均匀流过过滤柱。用元素分析仪分析通过过滤柱的水中的砷离子浓度，实验重复三次，得到处理后的砷离子浓度平均值为0.01mg/L。

Claims (10)

1、一种制备纳米复合材料的方法，包括如下步骤：
将金属氧化物前体的溶液均匀负载于多孔材料的表面及孔道中，通过原位化学反应将金属氧化物前体转化为相应的金属氧化物，得到所述纳米复合材料。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属氧化物前体为铁、钴、锡、钛、锌和铈中任意一种金属元素的硝酸盐、硫酸盐、氯化物或醋酸盐；
所述多孔材料选自硅胶、活性炭、高岭土、分子筛和氧化铝中的至少一种；
所述金属氧化物前体的溶液中，溶剂选自水、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇和丙三醇中的至少一种。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述金属氧化物前体的溶液的浓度为1-65wt％，优选30-50％；所述金属氧化物前体与所述多孔材料的质量份数比为1∶2-4；多孔材料的孔容为0.2-0.8ml/g，比表面积为100-1500m2/g。
4、根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于：所述原位化学反应的方法是下述方法a或方法b；
方法a：向金属氧化物前体和多孔材料组成的反应体系中加入pH值为9-14的碱性溶液，进行原位化学反应；
方法b：在150-800℃的条件下，将金属氧化物前体和多孔材料组成的反应体系进行原位化学反应。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述方法a中，反应温度为20-80℃，优选30-50℃；反应时间为1-30分钟，优选10-20分钟；所述碱性溶液的浓度为5-40wt％，优选20-30wt％；
所述方法b中，反应时间为30-720分钟，优选200-250分钟；反应气氛为真空度为0-1.0大气压的惰性气氛或大气气氛，优选1.0大气压的大气气氛。
6、根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述方法a中，碱性溶液选自氨水、甲胺的水溶液、乙胺的水溶液和乙二胺的水溶液中的至少一种；
所述方法b中，反应温度为200-300℃。
7、权利要求1-6任一所述方法制备得到的纳米复合材料。
8、权利要求7所述纳米复合材料在制备水处理材料中的应用。
9、根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述水处理材料为重金属吸附材料。
10、根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述重金属选自汞、砷和镉中的至少一种。
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