[发明专利]一种具有吸附和催化降解功能的纳米复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有吸附和催化降解功能的纳米复合材料及其制备方法和应用，制备如下：(1)恒温水浴中，将碳纳米管、聚乙二醇分散在纯净水中，超声形成均匀的悬浮液；(2)无氧环境下向所得悬浮液中加入FeCl₃和FeCl₂并持续搅拌，反应4～6小时，然后调节pH至11～11.5，升高水浴温度至70～80℃继续反应2～3小时，得混合液；(3)向混合液中依次加入MnSO₄和KMnO₄和KOH，反应2～4小时，得混合液，经后处理即得复合材料。本发明采用两步沉淀法制备CNT/MnO₂/Fe₃O₄纳米复合材料，在复合物的制备过程中，Fe₃O₄和MnO₂纳米粒子在CNT上原位沉淀生长，利用CNT的管壁结构固载和分散Fe₃O₄和MnO₂纳米粒子，同时阻止CNT的团聚。

技术领域

本发明属于纳米材料及环境科学技术领域，尤其涉及一种具有吸附和催化降解功能的磁性CNT/Fe₃O₄/MnO₂纳米复合材料及其应用。

背景技术

染料广泛应用于纺织、皮革、造纸、印刷和化妆品等行业，据统计我国染料的年产量约75万吨，居世界首位。染料在生产和使用过程中约有10～15％要释放到环境中，因染料污染导致的水体安全问题已引起广泛关注。通常染料分子具有复杂的芳香结构很稳定，在水环境中很难自然降解。目前，染料废水的处理方法主要有吸附法、膜分离法，和催化氧化降解等。吸附法是废水深度处理的重要技术，在众多的吸附剂中，活性炭已广泛应用染料废水处理中。但活性炭存在吸附量不大、活化温度高、孔分布过宽、机械性能差、不易再生和表面不容易修饰等缺点。碳纳米材料，因其具有高的比表面积和良好的化学稳定性，在废水中污染物的吸附中显示了巨大的潜力和诱人的应用前景。

碳纳米管比表面积大、表面能高，对重金属和有机污染物均有较强的吸附作用(Kuma R R，Khan M A，Haq N.Application of carbon nanotubes in heavy metalsremediation[J].CriticalReviews in Environmental Science and Technology，2014，44(9):1000-1035；Ajmani G S，Cho H H，Abbott-Chalew T E，et al.Static and dynamicremoval of aquatic natural organic matter by carbon nanotubes[J].WaterResearch，2014，59:262-270)。碳纳米管中常含有羟基、羧基、羰基、氨基等官能团，这些官能团使碳纳米管具有一定的吸附/催化作用(Chen W，Zhu D，Zheng S，et al.Catalyticeffects of functionalized carbon nanotubes on dehydrochlorination of 1，1，2，2–tetrachloroethane[J].Environmental ScienceTechnology，2014，48(7):3856-3863)。但微小尺寸的碳纳米管存在密度小、沉降及分离回收困难等问题。

此外，由于碳纳米管间存在范德华作用，在水体中易团聚，导致有效表面积减少，从而降低吸附能力。因此开发具有亲水性、易回收的碳纳米管复合材料，是基于碳纳米管的新型吸附功能材料的研究开发方向。

磁性吸附材料既具有良好的吸附能力，又可通过外加磁场从水体分离，已经成为近年来环境净化的新一代材料。催化氧化降解也是去除有机污染物有效方法之一。相比于吸附法，催化氧化法利用催化剂降解水体中的有机污染物，从而达到环境治理的目的。MnO₂具有较高的氧化电位，能够氧化很多有机化合物，作为氧化剂被广泛应用于水处理中。但MnO₂的视密度较小，在水中易形成超细颗粒，使用后难以实现固液分离。