[发明专利]一种功能化磁性碳质材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于功能材料和磁性材料技术领域，特别涉及一种功能化磁性碳质材料及其制备方法和应用，主要应用于废水中重金属的吸附去除。

背景技术

磁性纳米材料因其特殊的磁学效应，如超顺磁性，在外加磁场作用下，可精准地对其进行定位、转移和分离，在生物医学、化工、环境、制药等领域具有广阔的应用前景。但由于其具有较高的比表面积和易团聚现象，对其进行适当的表面修饰以降低其表面能，可得到化学稳定性好、生物相容性佳，可分散的磁性纳米粒子。碳质材料(活性炭、纳米碳管、石墨烯等)因具有比表面积大、多孔性、热稳定性好、机械强度高等优点被广泛应用于水中重金属的去除。其中活性碳来源广泛、成本较低、对环境没有污染，是碳质材料中应用最广的。但活性炭表面的高疏水性、低吸附效率、难分离等缺点限制了其应用范围，因此对其进行表面改性。将活性炭与磁性纳米颗粒有机结合可制备出不同比例的复合载体，增强材料的分散性和分离性能。在载体表面引入相应官能基团得到新型复合材料，增强其对重金属吸附选择性。

合成无机磁性颗粒及功能化材料的方法很多。常采用操作较易、成本较低的化学法获得磁性纳米粒子，如共沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热/溶剂热法、热分解法、静电纺丝法等。功能化材料主要采用无机载体与有机物/无机物形成复合材料的方式，通过表面化学连接、表面聚合反应、表面吸附沉积等在载体表面包覆有机小分子、有机高分子和无机材料等。但这些方法都存在各自的不足之处，其产物的形貌及性质也不尽相同，尺寸可控、表面官能团修饰含量高、磁性能强、合成工艺简单低耗的功能化磁性碳质材料及制备方法需要进一步探索。

发明内容

本发明的目的是针对当前工业废水中重金属处理现状、磁性纳米材料以及功能化材料合成方法存在的问题，提供一种尺寸可控、表面官能团修饰含量高、磁性能强的功能化磁性碳质材料。

一种功能化磁性碳质材料，所述磁性纳米粒子与活性炭表面共价结合，特定官能团的硅烷偶联剂通过硅烷化反应修饰在磁性碳质材料表面。

优选的，所述功能化磁性碳质材料的活性碳(AC)和四氧化三铁(Fe3O4)质量比为1:0.25。

另外，本发明借鉴共沉淀法和硅烷化法的优点，采用一步法直接在碳质材料表面合成具有官能团的磁性碳质材料，合成工艺简单低耗。

本发明所涉及的功能化磁性碳质材料修饰方式是：(1)在表面活性剂作用下，磁性纳米粒子通过共沉淀法合成并与碳质材料表面共价结合；(2)在醇水混合溶剂以及催化剂作用下，二氧化硅前驱体水解出的硅醇键与磁性碳质材料表面的羟基及硅醇键自身发生缩聚反应；(3)含特定官能团的硅烷偶联剂通过硅烷化反应修饰在磁性碳质材料表面；(4)调节磁性纳米粒子与碳质材料不同质量比通过溶胶凝胶法得到表面官能团修饰含量高，能快速从废水中磁分离的新型复合材料。

根据本发明的目的，本发明涉及一种能对碳质材料磁性改性、表面功能化的方法，该方法的具体步骤为：

(1)将0.2～3.0g三价铁盐和0.1～2.0g二价铁盐溶解于去离子水中，加入表面活性剂和0.5～1.0g活性碳，超声分散得到混合溶液；

(2)混合溶液在流速为50～300mL/min的N₂保护下升温至40～80℃，滴加5～10mL氨水使体系呈pH为8～12，在300～600r/min转速下持续搅拌1～3小时得到黑色固体，通过调节活性碳(AC)和四氧化三铁(Fe₃O₄)的质量百分比制得不同分散性能和磁性能的磁性活性碳载体(AC/Fe₃O₄)；

(3)将制得的磁性活性碳载体加入到100～200mL醇水混合溶液中，在碱性条件下依次加入1～3mL二氧化硅前驱体和0.2～1mL带特定官能团的硅烷偶联剂，10～50℃下反应3～8小时后，用磁分离方法分离产物，得到官能团修饰的磁性活性碳复合材料。