[发明专利]一种超顺磁性复合纳米颗粒及其制备方法、以及高效选择性回收磷酸盐的方法

说明书

本发明涉及一种超顺磁性复合纳米颗粒及其制备方法、以及高效选择性回收磷酸盐的方法。所述复合纳米颗粒包括作为核的超顺磁性材料颗粒、以及直接包覆在所述核上的氧化锆外壳层。所述复合纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：将超顺磁性材料颗粒、以及烷基醇锆(IV)分散于无水乙醇中，形成混合物；以及向所述混合物中加水，使所述烷基醇锆(IV)受控水解，形成直接包覆在所述超顺磁性材料颗粒上的氧化锆外壳层。采用该复合纳米颗粒能够高效选择性地从被处理的水中回收磷酸盐。

技术领域

本发明涉及水处理技术。具体而言，本发明涉及一种超顺磁性复合纳米颗粒及其制备方法，以及采用该复合纳米颗粒高效选择性地从被处理的水中回收磷酸盐的方法。

背景技术

磷作为一种重要的原料，在工农业中被广泛使用。磷主要以磷酸盐的形式存在于水体中。过量的磷通过污水排放以及农业径流大量地排放进地表水中，导致水体富营养化。世界上一些国家已经颁布了严格的条例，力图将自然水体中的含磷量控制在0.02mg/L以下，将污水中的含磷量控制在0.5mg/L以下。同时，磷也是一种不可再生的资源，如果人类对磷肥的需求继续增长，则剩余的可开采的磷矿石仅能维持50年。因此，为缓解水体富营养化问题与磷资源逐渐匮乏之间的矛盾，亟需发明一种用于去除并回收水体中的磷酸盐的先进技术。

目前，用于水体中除磷的方法主要有：化学沉淀法、生物法以及吸附法等。吸附法易设计、易操作、成本低，因此被公认为是一种从污水中除磷的有效方法。吸附法的关键在于寻求合适的吸附剂，目前在水处理中常用的除磷吸附剂有活性炭和树脂等。然而，实际要进行除磷处理的水可能会含有多种多样的竞争性离子，而以下几个缺点则限制了这些吸附剂在实际中的应用：(1)无选择性以及低的吸附容量；(2)吸附剂难以解吸附，因而重复使用性差；(3)处理水后吸附剂回收困难。

将超顺磁性材料(如四氧化三铁，Fe₃O₄)颗粒与吸附材料组合而形成的具有核壳结构的磁性吸附剂在水体净化领域有着巨大的应用潜力。现有技术在制备具有核壳结构的磁性吸附剂材料时，通常在超顺磁性材料颗粒表面上预先包覆一层非磁性的保护层(例如防氧化层)，然后再包覆吸附材料外壳层。例如，将Fe₃O₄核外预先包覆一层二氧化硅是一种常用的防止Fe₃O₄氧化的方法，然后通过沉淀法(例如使ZrOCl₂在浓氨水和乙醇的混合溶液中水解)在该二氧化硅层上沉积氧化锆。然而发明人发现，预包覆的非磁性保护层(例如二氧化硅层)会导致吸附剂磁性显著下降，这将导致吸附剂难以分离并最终延长磁分离时间。另外，由于在沉淀法过程中锆盐快速不可控的水解，会生成错落堆积的较大的ZrO₂团聚体，结果导致所形成的氧化锆层不均匀、不连续，使得吸附剂表面没有完全被氧化锆层覆盖，并且氧化锆层表面高低起伏，厚度大幅度波动。此外，在使用强碱(如NaOH)对吸附剂进行再生时，由于氧化锆层不连续而未完全覆盖吸附剂表面，因而会导致下面的二氧化硅层溶解，破坏吸附剂的结构，导致Fe₃O₄核发生氧化，这会进一步影响吸附剂的重复使用性。

发明内容

为了解决上述一个或多个问题，本发明提供了一种具有核壳结构的超顺磁性复合纳米颗粒，所述复合纳米颗粒包括作为核的超顺磁性材料颗粒、以及直接包覆在所述核上的氧化锆外壳层。

本发明还提供了一种制备具有核壳结构的超顺磁性复合纳米颗粒的方法，包括以下步骤：将超顺磁性材料颗粒、以及烷基醇锆(IV)分散于无水乙醇中，形成混合物；以及向所述混合物中加水，使所述烷基醇锆(IV)受控水解，形成直接包覆在所述超顺磁性材料颗粒上的氧化锆外壳层。