功能化Fe3O4纳米颗粒的合成与吸附汞离子应用

论文摘要

由于磁性纳米颗粒自身具有较大的比表面积、较高的饱和磁化强度以及表面易功能化等优势，在生物医药等各领域得到广泛应用。在当今磁性材料领域中，Fe3O4作为软磁性材料之一，应用最为广泛，不仅在催化剂、磁性高分子微球、磁记录材料、磁流体材料、颜料和电子材料等领域应用前景广阔，而且作为吸附材料在污染物去除等方面的应用潜能也值得关注。随着生产力与科学技术的不断发展，环境污染问题日益突出，其中水中重金属污染已经成为全球性的污染问题，严重威胁人类身体健康甚至生命。为了更有效的对水中痕量重金属元素进行预富集分离，本研究制备了两种功能化磁性纳米颗粒并初步考察了其对水中痕量重金属汞的吸附性能。具体研究结果如下：首先，以亚铁离子作为单一铁源，空气中的氧为氧化剂，半胱氨酸（L-Cys）为保护剂，通过超声辅助氧化沉淀法制备粒径均一的半胱氨酸功能化四氧化三铁磁性纳米颗粒（Fe3O4-Cys NPs）。采用红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（VSM）、热重分析（TGA）、动态光散射（DLS）等技术手段对Fe3O4-Cys磁性纳米颗粒的结构和性能进行表征。实验发现，合成的Fe3O4-Cys NPs由Fe3O4表面铁（Fe）原子和L-Cys的硫（S）原子配位结合而成，Fe3O4表面修饰的半胱氨酸分子的含量约为23%；制备的纳米颗粒粒径小而均匀（约为15nm），磁响应良好，具备超顺磁性，热稳定性优异。其次，采用分步合成法成功制备亲油性的巯基功能化四氧化三铁磁性纳米颗粒（Fe3O4-EDT NPs）。首先通过传统的共沉淀法成功制备了表面修饰十二烷基磺酸钠（SDS）的四氧化三铁磁性纳米颗粒（Fe3O4-SDS NPs），并讨论了表面活性剂SDS的用量对产物分散性以及磁响应性的影响。实验结果表明，当SDS与Fe3O4摩尔比为1:2时，Fe3O4-SDSNPs在水相中呈现良好磁响应性及分散性。再以1，2-乙二硫醇（EDT）作为巯基功能化试剂，通过超声处理合成了Fe3O4-EDT NPs。通过透射电子显微镜（TEM）、能量色散谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X-射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（VSM）、热重分析（TGA）对产物的形貌及性能进行了表征。实验结果表明：亲水性的Fe3O4-SDS纳米颗粒经过水洗后在溶液中的分散性质发生改变，转变为亲油性，有利于下一步亲油性材料Fe3O4-EDT磁性纳米颗粒的合成。同时通过红外光谱证实SDS、EDT成功修饰在Fe3O4纳米颗粒表面。所制备的Fe3O4-EDT纳米颗粒在乙醇/水（1:1）体系中分散性良好，粒径均匀（约15nm），当Fe3O4和EDT摩尔比为1:8时，制备的Fe3O4-EDT磁性纳米颗粒呈现良好的磁响应性。最后，采用制备好的功能化四氧化三铁磁性纳米颗粒对溶液中痕量重金属汞进行吸附实验，并分别考察吸附体系pH、吸附时间、吸附剂用量对最终吸附效率的影响。实验结果表明，在最优条件下，Fe3O4-Cys NPs对水中重金属Hg（Ⅱ）的吸附效率高达95%，经过吸附动力学研究，Fe3O4-Cys NPs对水中Hg（Ⅱ）的吸附速率常数kad为0.22min-1，表明Fe3O4-Cys NPs能快速吸附水中的的痕量重金属Hg（Ⅱ）。同样，经过对溶液中痕量汞吸附条件的优化以后，发现低剂量的Fe3O4-EDT NPs在短时间（5min）之内就能对溶液中痕量Hg（Ⅱ）达到高效吸附的效果，吸附效率达到85%。从实验结果可以看出，合成的功能化磁性纳米颗粒由于其表面性质的不同，对于溶液中痕量重金属汞的吸附效果有所不同，但都达到了令人满意的吸附效果。本文的整个研究对工业废水以及日常饮用水中重金属元素的去除工作有着一定的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 重金属污染的危害及去除水中重金属离子方法
• 1.1.1 化学沉淀法
• 1.1.2 氧化还原处理
• 1.1.3 吸附法
• 1.1.4 离子交换法
• 1.1.5 生化处理法
• 1.2 常见的吸附现象
• 1.2.1 离子交换吸附
• 1.2.2 物理吸附
• 1.2.3 化学吸附
• 1.3 磁性纳米颗粒
• 1.3.1 四氧化三铁磁性纳米颗粒的制备方法
• 1.3.2 四氧化三铁磁性纳米颗粒表面改性
• 1.3.3 表面活性剂在固液界面吸附的基本理论
• 1.3.4 磁性分离
• 1.4 本课题的立题背景、意义及主要研究内容
• 3O₄磁性纳米颗粒的制备及表征'>第二章 L-半胱氨酸功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料和试剂
• 2.2.2 主要仪器设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 3O₄磁性纳米颗粒合成条件的优化'>2.3.1 L-半胱氨酸功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒合成条件的优化
• 3O₄磁性纳米颗粒的表征'>2.3.2 L-半胱氨酸功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒的表征
• 3O₄纳米颗粒的制备原理'>2.3.3 L-半胱氨酸功能化 Fe₃O₄纳米颗粒的制备原理
• 2.4 本章小结
• 3O₄磁性纳米颗粒的制备及表征'>第三章 巯基功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和试剂
• 3.2.2 主要仪器设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3O₄磁性纳米颗粒合成条件的优化'>3.3.1 巯基功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒合成条件的优化
• 3O₄磁性纳米颗粒的表征'>3.3.2 巯基功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒的表征
• 3O₄磁性纳米颗粒改性过程示意图'>3.3.3 巯基功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒改性过程示意图
• 3.4 本章小结
• 第四章 功能化磁性纳米颗粒对重金属汞吸附性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料和试剂
• 4.2.2 主要仪器设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 优化吸附时间
• 4.3.2 pH 值对吸附效率的影响
• 4.3.3 优化吸附剂的用量
• 3O₄磁性纳米颗粒对汞的吸附效果'>4.3.4 功能化 Fe₃O₄磁性纳米颗粒对汞的吸附效果
• 4.3.5 吸附动力学研究
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文