[发明专利]一种膨润土包覆四氧化三铁纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种膨润土包覆四氧化三铁纳米材料，Fe₃O₄纳米粒子包裹在膨润土内表面，平均粒径为30‑40nm。本发明将Fe³⁺吸附在膨润土纳米薄片上，利用水热还原法，在膨润土薄片上原位合成Fe₃O₄，通过膨润土片层之间的记忆和恢复功能，将Fe₃O₄磁性粒子嵌入到膨润土内层表面之间，制得膨润土包覆Fe₃O₄磁性纳米材料。与目前报道的磁性层状膨润土不同的是，由于Fe₃O₄纳米粒子的嵌入，使得膨润土片层之间的间距明显扩大，充分释放膨润土内表面，使其能够高效吸附生物大分子、零价金属等；同时由于膨润土薄片的束缚，使得Fe₃O₄纳米粒子尺寸变得更小，更加分散均匀，能够增强磁性纳米材料的吸附能力和反应活性。

技术领域

本发明属于纳米材料制备及环保工程技术领域，具体是涉及一种膨润土包覆四氧化三铁纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术

膨润土是一种在我国储量丰富、价格低廉的层状硅酸盐矿物材料，具有比表面积大、阳离子交换能力强、结构功能可调等特点。膨润土作为一种性能优良的吸附材料和催化剂载体，广泛应用于环境污染物的吸附以及催化降解等领域。根据膨润土的层状结构和层间阳离子交换的特点，其层间内表面吸附容量比外表面大很多，大部分表面带正电的环境污染物、小分子药物等主要通过阳离子交换被吸附在层间内表面，因此膨润土对这些物质具有很高的吸附效率。但是，由于膨润土层间距较小，约为1.2-1.5nm左右，一些尺寸较大（10nm以上）的生物大分子、纳米零价金属以及表面带负电的环境污染物无法通过阳离子交换被吸附至内表面，只是少量的被吸附在空间狭小的膨润土外表面。因此，层状膨润土对上述物质的吸附容量比较低，没有充分发挥膨润土比表面积大的优点。而且，生物大分子和零价金属等催化剂被集中吸附在膨润土外表面，分散效果不佳，导致其对环境污染物的催化效率明显下降。

通过浸泡、高速离心、制浆和胶化等步骤可以将膨润土从层状结构中剥离开来，形成比表面积更大的膨润土凝胶。该凝胶在亲水介质中高度分散，原本位于层间的内表面得到充分释放，从而显著增大了膨润土对生物大分子，零价金属等吸附容量和分散效果。而且，膨润土从层状结构变成凝胶之后，其亲水膨胀性、稳定性、触变性、吸附性和可塑性都得到明显增强，从而能够进一步扩大膨润土在生物大分子吸附、药物及催化剂载体、环保、建筑和日化用品等领域的应用范围。但层状膨润土剥离成凝胶后，其纳米尺寸更小，材料的分离和回收更加困难。

利用磁性载体吸附技术，将磁性物质负载在膨润土载体上，能够制备得到磁性膨润土材料，从而实现材料的快速分离和回收。到目前为止，磁性膨润土载体的制备方法主要是将层状膨润土材料与Fe²⁺、Fe³⁺一起混合，通过共沉淀或水热法等方法制备得到。该磁性膨润土并没有改变膨润土的层状结构，形成的磁性Fe₃O₄纳米颗粒大部分被吸附在膨润土外表面，不仅占据了膨润土外表面的吸附位点，影响被吸附物质在外表面的吸附，还会阻碍膨润土内表面阳离子与污染物等被吸附物之间的离子交换，从而降低磁性膨润土的吸附容量和应用价值。而且，负载在外表面的Fe₃O₄纳米粒子在多批次操作之后极易脱落，从而降低磁性膨润土载体的磁响应性，影响材料的分离与回收。