[发明专利]碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及负载型多级纳米吸附剂的制备方法及在复杂选、冶重金属废水处理中的应用，特别涉及一种碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂及其制备方法与应用，属于水处理及水污染防治领域。

背景技术

选矿、冶炼废水除含有重金属化合物外，由于矿石浮选时采用各种有机和无机浮选药剂，浮选药剂经过转化后易形成酚类等有机物，因此排放废水中往往同时含有重金属和酚类有机物等。Lee等报道了重金属汞和有机物4-壬基酚共存具有协同增加细胞毒性，复合污染物的相互作用不仅影响农作物的生长发育而且危及人类健康（S. Lee, M. Cha, C. Kang, E. T. Sohn, H. Lee, A. Munawir, J. S. Kim, E. Kim, Environmental Toxicology and Pharmacology, 27(2009) 90-95.）。重金属污染物与有机污染物复合废水常常需要分别处理，这样不仅工艺复杂，成本高而且需要更多的人力。

目前，去除复杂重金属废水的处理技术主要有沉淀法、电絮凝法、离子交换法、膜过滤法、生物处理以及吸附法等。吸附法是去除污染水体中污染物最容易和简便的方法。吸附法处理水体中的污染物，可实现污染治理和废物资源化的统一，符合循环经济和可持续发展的要求。吸附法研究的方向是制备高吸附容量、快速吸附平衡的吸附材料。纳米材料具有很大的比表面积，是一种优良的吸附剂。多种纳米材料可用于重金属吸附，如纳米零价铁、铁氧化物、二氧化钛、二氧化铈、碳纳米管、钛酸纳米管等。纳米四氧化三铁本身无毒，使用过程不会对环境造成危害，容易磁分离重复利用，因而在实际应用中受到特别关注。如用1，6-己二胺与四氧化三铁通过共价键结合形成氨基功能化的磁性纳米四氧化三铁对Cu（II）离子的吸附，显示能在5min达到吸附平衡，吸附剂循环15次很稳定（Y. M. Hao, C. Man, Z. B. Hu. Effective removal of Cu (II) ions from aqueous solution by amino-functionalized magnetic nanoparticles. Journal of hazardous materials. 2010: 184(1–3): 392-9）。但纳米四氧化三铁颗粒粒度小，具有很高的表面能，其颗粒容易团聚，尤其是具有磁性的纳米颗粒，会因为磁偶极之间的相互作用更容易团聚。

多级结构材料的纳米结构单元具有高比表面积以及表面功能基团能与重金属离子结合，多级纳米材料在处理重金属方面显示出巨大的潜力。多级结构纳米材料局部具有纳米结构而整体属于微米级，这使其具有良好的机械特征，如强度高，使其便于传输，易于回收和再生。多级纳米材料的微观结构特性适合用于吸附水中的重金属离子以及有机污染物。

自Iijima于1991年发现碳纳米管以来，碳纳米管因其独特的结构、机械和电学性能引起了人们的极大兴趣。碳纳米管比表面积及机械强度大，是优良纳米颗粒的载体材料，而且，碳纳米管通过酸氧化后其端口和管壁会产生亲水性羧基、羟基等极性基团，可用来调控碳纳米管的表面特性，便于金属粒子的结合。更为重要的是，碳纳米管不仅能够作为载体材料而且还能发挥协同吸附作用，从而提高复合纳米材料吸附性能。但复合纳米材料往往制备繁琐，因此，研究开发环境友好、成本较低、吸附能力强、易于分离的多级纳米四氧化三铁负载型吸附剂更具有工业应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高比表面积、高吸附性能、易于分离与回收的碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂，还提供一种制备工艺简单、成本低廉的碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂的制备方法，并相应提供该吸附剂同时吸附废水中重金属离子和有机污染物的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂，所述吸附剂包括碳纳米管和四氧化三铁，所述碳纳米管上（主要在外壁表面）负载有四氧化三铁，所述四氧化三铁为多级纳米结构，所述四氧化三铁的粒径为30nm～80nm（优选45nm～55nm）；所述四氧化三铁在吸附剂中的质量分数为25%～35%。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种碳纳米管负载多级纳米四氧化三铁吸附剂的制备方法，包括以下步骤：