[发明专利]一种复合材料及其制备和在吸附、去除水体中铬的应用

说明书

本发明属于材料科学与工程和环境科学领域，具体来说是一种磁性多壁碳纳米管复合材料的制备及其在吸附、去除水体中铬的应用。采用一步溶剂热法，经1,6‑己二胺对磁性四氧化三铁纳米粒子进行氨基功能化，而后通过氨基结合在羧基化多壁碳纳米管表面。本发明采用一步溶剂热法一锅制备磁性多壁碳纳米管复合材料，合成过程简单、成本低廉、形貌均匀、磁性好、用于六价铬吸附时，吸附法和磁分离过程操作简单、可有效避免二次污染问题，且复合材料的重复使用性能良好，重复使用5次，对六价铬的去除效率仍维持在80％左右。

技术领域

本发明属于材料科学与工程和环境科学领域，具体来说是一种磁性多壁碳纳米管复合材料的制备及其在吸附、去除水体中铬的应用。

背景技术

六价铬毒性较强，具有致癌并诱发基因突变的作用，可通过消化道、呼吸道、皮肤和粘膜进入人体内，蓄积在肝、肾和内分泌腺中。六价铬主要来源于电镀、纺织、制革、染料加工、造纸及铬矿开采等各种工业过程中。强毒性的六价铬一旦进入到环境水体中，将会以溶解性较强的含氧阴离子的形态存在，最终将会通过生物富集作用进入到人体内，严重影响人类健康。为了降低人类暴露在强毒性铬环境中的风险，在各种含铬工业废水排放前，需经过水处理过程并将铬含量控制在规定的范围内。美国环保署在1991年对饮用水中总铬的含量做了规定，将最大允许浓度限定在0.1mg/L水平。因此，亟需发展一系列高效、快速、高选择性的技术用于水体中铬的去除。

在六价铬的去除方面，已开发出了电化学沉积、离子交换、生物处理、光催化、膜分离、溶剂萃取和吸附等方法和技术。其中，吸附法具有成本低、操作简单、毒性副产物少和去除效率高等优势，是目前用于六价铬去除的最为广泛的应用策略。在吸附法中，吸附剂的选择是决定吸附效果的最重要的因素。在众多的吸附剂中，碳纳米管作为一种新型的碳纳米材料，具有优良的物理化学性质，如大的比表面积、独特的空间结构和较高的稳定性，被广泛用于重金属和有机污染物的去除，但存在水溶性不好及分离困难的问题。磁性纳米材料，尤其是四氧化三铁纳米材料，具有较强的超顺磁性，通过施加外部磁场，在较短的时间内就可将其从水溶液中分离出来，减少了额外的离心、过滤步骤，节省了时间，可有效解决吸附材料分离困难的问题，同时也避免了残留在溶液中的吸附剂造成的二次污染问题。然而，由于四氧化三铁表面含有大量的羟基，在酸性条件下容易被氧化，造成吸附效率的降低。目前常用的解决方法是在四氧化三铁表面修饰官能团或包裹壳结构进行改性，使其性质更稳定、不易被氧化。如，Burks等采用3-巯基丙酸对四氧化三铁表面进行修饰并将其用于水溶液中六价铬的去除。Luo等在氧化石墨烯表面修饰磁性环糊精-壳聚糖复合材料用于水样中六价铬的吸附。尽管已有各种类型的吸附剂用于水样中六价铬的去除，但仍存在一定的改进空间，如简化吸附剂的合成步骤、降低材料制备成本、提高材料的选择性、水溶性和吸附容量等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁性多壁碳纳米管复合材料的制备及其在吸附、去除水体中铬的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁性多壁碳纳米管复合材料，采用一步溶剂热法，经1,6-己二胺对磁性四氧化三铁纳米粒子进行氨基功能化，而后通过氨基结合在羧基化多壁碳纳米管表面。

进一步的说，采用一步溶剂热法，通过1,6-己二胺对磁性四氧化三铁纳米粒子表面进行氨基化修饰，氨基化的磁性四氧化三铁纳米粒子可与多壁碳纳米管表面羧基通过化学键结合，同时，1,6-己二胺也可直接与多壁碳纳米管结合，通过氨基和水之间的氢键作用力增加材料的水溶性。

所述羧基化多壁碳纳米管用于磁性碳纳米管复合材料的制备，羧基化多壁碳纳米管的外径范围在10～50nm之间，长度范围在0.5～30μm之间；具体为3种，分别为1#羧基化多壁碳纳米管外径为10～20nm，长度为10～30μm；2#羧基化多壁碳纳米管外径为20～30nm，长度为0.5～2μm；3#羧基化多壁碳纳米管外径为30～50nm，长度为10～20μm。