[发明专利]可循环利用磁性纳米胶囊在染料吸附上的应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料应用技术领域，是磁性纳米胶囊粒子作为可循环利用吸附剂在环境污染物染料吸附方面的应用。

背景技术

伴随着科学技术和工业的发展，水污染越来越严重，尤其化学染料类的废水。在我国染料一直以来都被用作纺织、造纸和塑料等工业的着色剂，由于其难以替代性，得到大量的应用，成为世界上染料生产大国和消费大国。因为染料可降解性比较差，毒性大，会引起人类中毒及致癌致畸致变等严重后果。目前已经有很多方法对其进行处理，如光催化降解、膜分离和化学沉淀法等，但这些方法都存在一定的缺陷。而吸附方法作为一种重要的物理化学方法，具有成本低、效率高、无二次污染及环境友好的优点，在处理染料废水方面存在广泛应用。

吸附方法起关键作用的就是吸附剂。现在常用的吸附剂主要是碳材料，包括活性碳，木炭和碳纳米管等，因为碳材料具有物理化学性能稳定，比表面积大，孔隙结构发达等优点，在重金属和有机污染物方面存在广泛研究。但是碳材料因其本身的疏水性，在水溶液中分散性较差，而且脱附需要的温度高，不易进行，在水污染处理方面存在局限。碳纳米管颗粒较小，很难从溶液中分离出来，一旦吸附了污染物的碳纳米管流入环境，会造成更大的危害，同时毒理性研究表明碳纳米管对人体及其他生物是有毒的，因此从溶液中分离吸附剂进而循环利用显得更加重要而有意义。

分离简单易操作的磁性分离技术得到了广泛关注和应用，尤其是拥有高饱和磁化强度的碳包覆磁性纳米胶囊。目前主要是化学法制备的碳包铁氧化物用于挥发性有机物去除[Luiz C.A.Oliveira,Rachel.V.R.A.Rios,et al.Carbon,40(2002)2177–2183]，和利用碳电弧等离子体法以固态石墨为碳源,在氢气和氩气下制备碳包铁用于重金属去除[M.Bystrzejewski,et al.Carbon47(2009)1201–1204]。庞晋山等利用氩电弧等离子体法制备碳包铁纳米粒子，并用H₂O₂进行处理，用于重金属富集[庞晋山等，第十届全国新型炭材料学术研讨会论文集，190-194]。本课题组利用直流电弧等离子体法，以含碳气体为碳源，原位制备了碳包铁、碳包镍和碳包钴纳米胶囊[X.L.Dong,et al.J.Appl.Phys.,Vol.86,No.12,1999,6701-6706；X.L.Dong,et al.J.Mater.Res.,Vol.14,No.5,1999,1782-1790；X.F.Zhang,X.L.Dong,et al.Appl.Phys.Lett.89,(053115)2006]，所制备的纳米胶囊结构均匀，稳定，而且可以量产。

本发明利用我们的授权专利设备(中国授权专利：自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备(ZL200410021190.1))原位制备的碳包覆磁性纳米胶囊，采用过氧化氢进行表面官能团功能化，得到表面含有含氧官能团的碳包覆磁性纳米胶囊，用于染料吸附，磁分离，脱附，实现吸附剂的循环利用。

发明内容

本发明的首要目的是利用磁性纳米胶囊用于染料吸附，进行染料废水处理；另一目的是提供磁性纳米胶囊的简单磁分离和脱附方法，解决脱附困难问题，实现磁性纳米胶囊的循环利用性能。

本发明的技术方案采用以下具体步骤实施：

(1)用过氧化氢溶液对碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊进行氧化处理，得到表面含氧官能团功能化的碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊。

(2)将步骤(1)得到的碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊按照吸附剂质量(mg)与染料体积(mL)比为1:1～1:3的比例，置于染料溶液中，反应一段时间，分离回收吸附了染料的碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊。

(3)将步骤(2)回收的吸附了染料的碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊加入无水乙醇中脱附，脱附完成后磁分离，收集粉体进一步用于染料吸附，以此循环进行实验。

步骤(1)所述的过氧化氢氧化处理磁性纳米胶囊具体是：碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊与30wt.％过氧化氢按照1g:50mL～1g:150mL的比例，超声搅拌，磁分离收集，用去离子水洗至中性，真空干燥，得到表面含氧官能团功能化的碳包覆铁磁性纳米胶囊或碳包覆镍磁性纳米胶囊。

步骤(2)所述染料溶液是亚甲基蓝溶液和甲基橙溶液。

步骤(2)所述磁分离是通过外加磁场进行分离。

本发明的效果和益处是：