磁性復(fù)合材料對染料吸附性能的研究

唐先龍，楊桂寶

（安徽國星生物化學(xué)有限公司，安徽馬鞍山243100）

磁性復(fù)合材料對染料吸附性能的研究

唐先龍，楊桂寶

（安徽國星生物化學(xué)有限公司，安徽馬鞍山243100）

采用兩性聚合物對鈉基蒙脫土進(jìn)行有機(jī)化改性，通過共沉淀法制備了Fe3O4/MMT剝離型磁性復(fù)合材料，對陽離子染料進(jìn)行吸附性能的研究，顯示出對陽離子染料的高效吸附效率。隨著染料溶液初始濃度的增大，F(xiàn)e3O4/MMT復(fù)合材料的吸附容量也隨之增大。Fe3O4/MMT復(fù)合材料吸附再生性能優(yōu)異，可多次循環(huán)吸附，而吸附效率未明顯下降。

磁性復(fù)合材料；染料；吸附

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大量有毒有害物質(zhì)進(jìn)入水體，人類賴以生存的水環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。由于我國水資源相對匱乏，廢水處理技術(shù)的作用也越來越重要。有機(jī)染料廢水具有濃度高、色度深、水質(zhì)變化波動(dòng)大以及可生化性差等特征，是很難處理的一類工業(yè)廢水。陽離子染料含有很復(fù)雜的芳香基團(tuán)而難以生物降解脫色，因此它的處理格外受到重視。

Wu等[1]合成出GO-Fe3O4磁性納米復(fù)合材料，顯示出優(yōu)異的吸附性能，磁性納米材料在水污染處理中有重要的研究價(jià)值。Wang等[2]采用共沉淀法制備出GO/Fe3O4磁性納米復(fù)合材料，并對水中有機(jī)染料進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，獲得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其他如Deng[3]、Ranjithkumar[4]等也進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文通過DMC-MAA兩性共聚物對蒙脫土（MMT）進(jìn)行有機(jī)化改性，使得MMT表面連接上大量羧基，再采用共沉淀法制備MMT/Fe3O4磁性納米復(fù)合材料，用其對水中陽離子染料進(jìn)行吸附性能的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 Fe3O4/MMT納米復(fù)合材料的合成

取0.232g DMC-MAA-MMT分散于水中，加入0.269g FeCl3·6H2O和0.185g FeSO4·7H2O，通N2攪拌，30 min后加氨水溶液（體系的pH值約為10～11），在80℃的水浴加熱環(huán)境中機(jī)械攪拌2h。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，收集反應(yīng)產(chǎn)物，進(jìn)行過濾、洗滌和干燥，研磨分散后即得到磁性剝離型蒙脫土納米復(fù)合材料。

1.2 Fe3O4/MMT復(fù)合材料對羅丹明B的吸附實(shí)驗(yàn)

用羅丹明B配制1000mg/L的羅丹明B溶液250 mL備用，然后用蒸餾水稀釋，配制不同濃度的羅丹明B溶液。移取10 mL 50mg/L羅丹明B溶液至錐形瓶，加入0.010 g Fe3O4/MMT粉末，將錐形瓶置于恒溫水浴振蕩器進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，振蕩器轉(zhuǎn)速200rpm，反應(yīng)時(shí)間6h。在540 nm處，用UV3600型紫外可見光譜儀（日本島津公司）測試羅丹明B溶液的濃度。

1.3 Fe3O4/MMT的表征與測試

紅外光譜（FT-IR）圖由Nicolet 6700型紅外光譜分析儀，經(jīng)KBr（Uvasol，Merck）壓片法對Fe3O4和Fe3O4/MMT納米復(fù)合材料粉末壓片，在400～4000cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行測量。X-射線衍射譜（XRD）由日本Rigaku D/max 2500 pc X-射線衍射分析儀測得，測試條件為：CuKα射線源，管電壓40kV，管電流40mA，掃描速度為1.0°/min，步長為0.02°。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性蒙脫土的表征

為確定對Na+-MMT的表面改性是否成功進(jìn)行，分別對Na+-MMT和DMC-MAA-MMT進(jìn)行FT-IR和XRD分析（見圖1、圖2）。從圖1可知，在1040cm-1、467cm-1和521cm-1處的吸收峰為MMT的特征峰，它們分別對應(yīng)Si-O鍵的伸縮振動(dòng)和Si-O鍵及Al-O鍵的彎曲振動(dòng)，Na+-MMT、DMC-MAA-MMT的FT-IR譜圖上均有這些峰的存在。在1716 cm-1的吸收峰對應(yīng)的是C=O鍵的伸縮振動(dòng)，該吸收峰僅存在于DMC-MAA-MMT的FT-IR譜圖上，這說明兩性聚合物DMC-MAA成功對蒙脫土進(jìn)行改性。圖2為Na+-MMT和DMC-MAA-MMT的XRD圖，MMT的層間距根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ計(jì)算得出，經(jīng)改性后的MMT的層間距從1. 32 nm增加到1.53 nm，這表明DMC-MAA成功插入到了粘土層間。

2.2 Fe3O4/MMT復(fù)合材料的表征

分別對磁性材料Fe3O4和制備所得Fe3O4/MMT進(jìn)行FT-IR和XRD分析（見圖3、圖4、圖5）。Fe3O4和Fe3O4/MMT的紅外光譜如圖3所示。在3400cm-1左右均出現(xiàn)了吸收峰，這是來自DMC-MAA-MMT和Fe3O4表面的-OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)以及在測試過程中溴化鉀吸水而引起的。Fe3O4的特征吸收峰為1600cm-1、579cm-1，分別對應(yīng)的是H-O-H彎曲振動(dòng)和Fe-O的伸縮振動(dòng)。但在476cm-1只有在Fe3O4/MMT出現(xiàn)，該峰為Si-O鍵的彎曲振動(dòng)，因此表明成功合成了磁性納米復(fù)合材料Fe3O4/MMT。

圖1 Fe3O4（a）和Fe3O4/MMT（b）的FT-IR圖

圖2 Na+-MMT（a）和DMC-MAA-MMT（b）的XRD圖

圖3 Fe3O4（a）和Fe3O4/MMT（b）的FT-IR圖

由圖4可以看出，F(xiàn)e3O4/MMT復(fù)合材料的1°～10° XRD圖上沒有衍射峰存在，表明在這一衍射角區(qū)域內(nèi)沒有d001衍射峰，實(shí)驗(yàn)制備得到了剝離型的Fe3O4/MMT復(fù)合材料。圖5為Fe3O4和Fe3O4/MMT復(fù)合物的廣角XRD圖，可以看出，F(xiàn)e3O4和Fe3O4/MMT各個(gè)衍射峰的位置和形狀。Fe3O4的2θ=30.2°，35.55°，43.25°，53.3°，57.2°，63°與標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡相吻合[5]。所制備的Fe3O4/MMT復(fù)合物與Fe3O4相比，其特征衍射峰位置多出了2θ=19.8°和26.7°，是實(shí)驗(yàn)中制備的DMC-MAA-MMT的衍射峰，即表明實(shí)驗(yàn)制備了Fe3O4/MMT復(fù)合物。

2.3 Fe3O4/MMT復(fù)合材料對羅丹明B的吸附性能研究

2.3.1 平衡時(shí)間對吸附性能的影響

吸附時(shí)間t對Fe3O4/MMT復(fù)合材料吸附羅丹明B的性能影響如圖6所示。在開始的120min（吸附容量為42.32mg/g）內(nèi)吸附羅丹明B的速率較快，隨后在360min（吸附容量為42.68mg/g）內(nèi)以較慢的速度達(dá)到平衡。初始快速吸附可能歸因于吸附劑大量可供羅丹明B分子的吸附位點(diǎn)，吸附在后期階段減慢是因?yàn)槲近c(diǎn)飽和致其余的空置表面位點(diǎn)難以被占據(jù)[6]。Fe3O4對羅丹明B幾乎無吸附能力。純土與Fe3O4/MMT趨勢基本一致，都是開始吸附量迅速增加，然后隨時(shí)間推移逐漸趨于平緩。當(dāng)達(dá)到吸附平衡時(shí)，MMT與Fe3O4/MMT吸附量相差不多，但在磁性復(fù)合材料合成中，F(xiàn)e3O4與MMT的質(zhì)量比為1∶1，所以Fe3O4/MMT中MMT的吸附性能更好，表明Fe3O4/MMT復(fù)合材料中，F(xiàn)e3O4成功插入MMT片層中，使其層間距變大，從而防止了集聚，提供更多的吸附位點(diǎn)。

2.3.2 吸附再生實(shí)驗(yàn)

對Fe3O4/MMT復(fù)合材料進(jìn)行吸附再生實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行4個(gè)循環(huán)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。第一個(gè)循環(huán)羅丹明B去除率為91%，第二循環(huán)去除率為87%，第三循環(huán)和第四循環(huán)去除率均為85%。結(jié)果表明Fe3O4/MMT復(fù)合材料可循環(huán)利用多次而吸附效率無顯著降低，表現(xiàn)出Fe3O4/MMT復(fù)合材料可重復(fù)再生使用的優(yōu)異性能。

3 結(jié)論

圖4 Fe3O4/MMT的XRD圖

圖5 MMT（a）；Fe3O4（b）和Fe3O4/MMT（c）的XRD圖

圖6 吸附時(shí)間與羅丹明B去除量關(guān)系

圖7 吸附再生循環(huán)

（1）采用兩性聚合物對鈉基蒙脫土進(jìn)行有機(jī)化改性，通過共沉淀法制備了Fe3O4/MMT剝離型磁性復(fù)合材料，對陽離子染料進(jìn)行吸附性能的研究，顯示出對陽離子染料的高效吸附效率。

（2）隨著染料溶液初始濃度的增大，F(xiàn)e3O4/MMT復(fù)合材料的吸附容量也隨之增大。

（3）Fe3O4/MMT復(fù)合材料吸附再生性能優(yōu)異，可多次循環(huán)吸附，而吸附效率未明顯下降。

[1]Wu Q H，Zhao G Y.et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the extraction of carbamate pesticides from environmental water samples[J].Journal of Chromatography A，2011，1218：7936-7942.

[2]Wang C，F(xiàn)eng C.，et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of anorganic dye from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，173：92-97.

[3]Deng J H，Zhang X R.，et al.Simultaneous removal of Cd（II）and ionic dyes from aqueous solutionusing magnetic graphene oxide nanocomposite as an adsorbent[J].Chemical Engineering Journal，2013，226：189-200.

[4]Ranjithkuma.V，Sangeetha.S，Vairam.S.Synthesis of magnetic activated carbon/α-Fe2O3nanocomposite and its application in the removal of acid yellow 17 dye from water[J].Journal of Hazardous Materials，2014，273：127-135.

[5]Wang C，F(xiàn)eng C.，et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，173：92-97.

[6]Tabrez A.Khan，Sarita.Dahiya，Imran.Ali.Use of kaolinite as adsorbent：Equilibrium，dynamics and thermodynamic studies on the adsorption of Rhodamine B from aqueous solution[J].Applied Clay Science，2012，69：58-66.□

The Research of Dye Adsorption Property based on Magnetic Composite Materials

TANG Xian-long，YANG Gui-bao
（Anhui Guoxing Biochemical Co.，Ltd.，Ma'anshan 243100，China）

The organic modification of Na-montmorillonite based on amphoteric polymers has been completed，and the exfoliated magnetic composites of Fe3O4/MMT has been prepared by co-precipitation method as well.According to the research result of dye adsorption property based on the cationic dye，whose high adsorption efficiency has been displayed. Along with the initial concentration of the dye solution is increased，the adsorption capacity of Fe3O4/MMT also increased. Studies have shown that Fe3O4/MMT had excellent adsorbent regeneration performance，and the adsorption efficiency did not decrease apparently by multiple recycles.

exfoliated magnetic composites；cationic dye；adsorption

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.013

TB383

A

1008-553X（2016）01-0051-04

2015-09-14

唐先龍（1984-），男，助理工程師，從事污水處理工作，0555-6755828，18055593550，18955508345@163.com；通訊聯(lián)系人：楊桂寶（1979-），男，中專，從事化工機(jī)械管理工作，0555-6755829。