[发明专利]一种Fe3O4@SiO2磁性纳米球及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及砷污染水处理领域，具体涉及一种Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球及其制备方法和应用。

背景技术

砷在地壳中分布广泛，主要是以硫化矿物、金属砷酸盐或者砷化物的形式存在。在地表水中，砷主要是以+5价的形式存在；在还原条件下的地下水、深层湖泊沉淀物中，砷主要是以+3价的形态存在。

目前，砷污染是危害人身体健康的主要杀手之一，当饮用水中砷浓度超过10μg L^-1时，将会导致人体慢性中毒，甚至发生癌变。砷污染主要来自于砷化物、部分金属的开采和冶炼，同时，玻璃器皿制造，木材防腐剂，陶瓷制造业，冶金工业，制革厂，纺织厂，染料厂，炼油工厂，稀土金属工业等都可能排放出含砷废水。随着城镇化、工业发展以及人口数量的不断膨胀，全球的砷污染日益严峻，部分地区地下水砷污染问题已经到了无以复加的程度。据统计，发展中国家有约1.4亿人受到砷污染的毒害，而我国地下水砷污染地区覆盖人口则高达1500万。在一些地表水缺乏的地区，当地居民长期饮用砷污染的水，甚至出现了“癌症村”。

随着砷污染进一步加大，砷污染治理迫在眉睫。目前传统治理含砷污水的方法主要有三种，分别是物理法、微生物法以及化学法。物理法，处理费用较高，处理投资非常大，无法进行工程运作。微生物法作为一种新的处理方法，处理费用低，但是除砷速度较慢，不适用于污染水的快速除砷。而化学法，处理效果比较较明显，在工程上也有了一定的应用。但是，由于化学法中化学药剂的添加，导致产生了大量的废渣，这些废渣目前尚无较好的处置办法，因此会造成二次污染。故开发新的砷污染治理技术显得尤为必要。

四氧化三铁纳米材料是一种具有磁性的新型材料，具有如下优点：(1)四氧化三铁纳米材料中的三价铁和二价铁可以和砷氧负离子通过共价络合等形式形成稳定的配合物，从而可以实现砷污染物的富集。(2)由于纳米四氧化三铁具有磁性，故可以实现含砷污染物的快速分离。(3)由于纳米材料具有较大的比表面积，与传统材料性比较，四氧化三铁纳米材料将提供更多的砷结合位点，因此将大大地提高了砷污染物的去除效率。

但是，四氧化三铁纳米粒子的尺寸是影响其性能的主要因素之一，如图1所示，当四氧化三铁纳米粒子的尺寸降低时，其比表面积急剧增大。因此，尺寸较小的四氧化三铁纳米材料将为砷污染物的去除提供更多的结合位点。此外，当四氧化三铁纳米粒子的尺寸降低到25nm以下时，四氧化三铁纳米材料将表现为超顺磁性，即当在外加磁场作用下时，该材料显示磁性；当撤去磁场，该材料磁性消失。这一特性可有效防止四氧化三铁纳米粒子在水处理过程中的聚集，从而提高砷污染物的去除效率。

虽然美国RICE大学通过未包埋的四氧化三铁纳米材料实现了含砷井水的净化，但其所用的四氧化三铁纳米颗粒的比表面积较小，吸附效果还有待提高，因此尚未大规模应用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的主要目的在于提供一种Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球。

本发明的另一目的是提供一种制备上述Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球的方法。

本发明基于微孔或介孔二氧化硅包裹的磁性四氧化三铁纳米材料，提供了一种Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球及其制备方法。该Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球比表面积大，利用纳米球富集砷的程度远远大于传统的材料，从而可以实现富集砷的回收提纯，可以循环利用，从根本上有效地解决了砷污染治理的难题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种Fe₃O₄@SiO₂磁性纳米球，包括磁性Fe₃O₄核和包裹在Fe₃O₄核外的微孔或介孔SiO₂层，所述Fe₃O₄核的粒径为8-100nm，微孔或介孔SiO₂层的厚度为2-150nm。