羧基化磁性Fe3O4复合材料的制备及其对水体中Pb2+的吸附研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.007

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (10): 37-44.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.007

羧基化磁性Fe₃O₄复合材料的制备及其对水体中Pb²⁺的吸附研究

李美兰¹^,²(), 豆小喻¹, 何娇¹, 龚伟¹^,²(), 解程程¹, 刘白玲²

^1.商洛学院陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛 726000
^2.中国科学院成都有机化学研究所，成都 610041

收稿日期:2021-04-07 出版日期:2021-10-26 发布日期:2021-10-27
作者简介:李美兰（1988—），女，讲师，从事生态高分子材料研究，liecho2009@163.com
基金资助:
陕西省科技厅项目(2019JQ-907);国家级大学生创新创业训练计划项目(201911396025);陕西省科技厅项目(2019JQ-908);商洛学院自然科学基金项目(16SKY026)

Synthesis of Carboxylated Magnetic Fe₃O₄ Composites and Their Adsorption Behavior to Pb²⁺

LI Meilan¹^,²(), DOU Xiaoyu¹, HE Jiao¹, GONG Wei¹^,²(), XIE Chengcheng¹, LIU Bailing²

^1.Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Tailings Resources in Shanxi Province，Shangluo University，Shangluo 726000，China
^2.Chengdu Institute of Organic Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China

Received:2021-04-07 Online:2021-10-26 Published:2021-10-27
Contact: GONG Wei E-mail:liecho2009@163.com;com@163.com

摘要/Abstract

摘要：

以采用共沉淀法制备的磁性Fe₃O₄为核，通过硅烷化及酰胺化反应，制备了羧基化磁性Fe₃O₄复合材料（Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH），通过红外光谱仪（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、磁强度计（VSM）和X射线衍射仪（XRD）等对复合材料的结构进行了表征，并对不同作用条件下Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH吸附Pb²⁺的效果及Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH的重复使用效能进行了研究。结果表明，具有Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH结构的复合材料已被成功被制备，且该材料仍然能够实现快速磁性分离；Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH对Pb²⁺的静态吸附动力学数据更符合准二阶动力学，吸附时间为100 min、pH=4.5、Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH用量为1.0 g/L时，Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH对Pb²⁺的最大吸附容量为208.7 mg/g，且Langmuir方程更能描述该吸附等温过程；Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH对Pb²⁺的吸附是吸热过程；Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH对Pb²⁺的吸附量随时间延长先增加后趋于稳定，随pH值的增加先增加后减小；相比于一价阳离子，溶液中二价Ca²⁺、Mg²⁺的存在对吸附反应具有一定抑制作用；Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH吸附Pb²⁺后可洗脱再生，连续重复使用6次后对Pb²⁺的去除率仍大于50 %。

关键词: 羧基化, 吸附, 铅离子, 结构, 磁性, 复合材料

Abstract:

Fe₃O₄ magnetic particles were prepared by co?precipitation and then surface?treated through silanization and amidation reactions to obtain a carboxylated composite （Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH）. The structure of Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH， the effect of reaction condition on the Pb²⁺ adsorption of the Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH and its repetitive utilization efficiency was analyzed by FTIR， SEM， TEM， VSM and XRD. The results indicated that the Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH were successfully prepared with a desired structure and could be obtained through a rapid magnetic separation. Meanwhile， the static adsorption experiment showed that the adsorption kinetics belonged to the second order. The adsorption system reached an equilibrium with a maximum adsorbent capacity of 207.8 mg/g with a pH 4.5， a temperature of 55 ℃， a contact time of 100 min， and an Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH concentration of 1.0 g/L. The Langmuir equation is able to better describe the adsorption isotherm， indicating an endothermic process for the adsorption of Pb²⁺. The adsorption capacity of Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH toward Pb²⁺ showed an increase at first and then tended to stabilize with an increase in time. However， it increased at first and then decreased with an increase in pH. Compared to monovalent cations， the presence of divalent Ca²⁺ and Mg²⁺ in the solution could generate a certain inhibitory effect on the adsorption reaction. The Pb²⁺ removal rate was still above 50 % after regeneration of Fe₃O₄?SiO₂?NH?COOH for six times.

Key words: carboxylation, adsorption, lead ion, structure, magnetism, composite

中图分类号:

TQ317

李美兰, 豆小喻, 何娇, 龚伟, 解程程, 刘白玲. 羧基化磁性Fe₃O₄复合材料的制备及其对水体中Pb²⁺的吸附研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 37-44.

LI Meilan, DOU Xiaoyu, HE Jiao, GONG Wei, XIE Chengcheng, LIU Bailing. Synthesis of Carboxylated Magnetic Fe₃O₄ Composites and Their Adsorption Behavior to Pb²⁺[J]. China Plastics, 2021, 35(10): 37-44.

图/表 13

图1 Fe3O4?SiO2?NH?COOH的FTIR谱图

Fig.1 FTIR spectra of Fe3O4?SiO2?NH?COOH

图2 Fe3O4?SiO2?NH?COOH的XRD谱图

Fig.2 XRD spectra of Fe3O4?SiO2?NH?COOH

图3 Fe3O4?SiO2?NH?COOH的磁化曲线

Fig.3 Magnetization curves of Fe3O4?SiO2?NH?COOH

图4 Fe3O4?SiO2?NH?COOH的SEM和TEM照片

Fig.4 SEM and TEM image of Fe3O4?SiO2?NH?COOH

图5 吸附时间对吸附量的影响

Fig.5 Effect of adsorption time on adsorption capacity

图6 Fe3O4?SiO2?NH?COOH吸附Pb2+的动力学方程拟合曲线

Fig.6 Kinetic fitting curves of adsorption data of Pb2+ onto Fe3O4?SiO2?NH?COOH composite

图7 pH值对吸附量的影响

Fig.7 Effect of pH on adsorption capacity

图8 温度对吸附量的影响

Fig.8 Effect of temperature on adsorption capacity

图9 Fe3O4?SiO2?NH?COOH对Pb2+的不同等温吸附模型

Fig.9 Different isothermal adsorption models of Pb2+ adsorbed by Fe3O4?SiO2?NH?COOH

Langmuir模型参数			Freundlich模型参数
模型计算出的理论平衡吸附量/mg·g^-1	K_L	R²	吸附容量参数	n	R²
229.84	0.004 42	0.957 1	46.643	5.32	0.712 7

表1 Fe3O4?SiO2?NH?COOH吸附Pb2+的等温吸附参数

Tab.1 Isothermal adsorption parameters of Pb2+ adsorbed by Fe3O4?SiO2?NH?COOH

图10 干扰阳离子对吸附效果的影响

Fig.10 Influence of interfering cations on adsorption effect

图11 磁响应效果

Fig.11 Diagram of magnetic response

图12 重复利用次数对吸附效果的影响

Fig.12 Effect of reuse times on adsorption effect

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羧基化磁性Fe₃O₄复合材料的制备及其对水体中Pb²⁺的吸附研究

Synthesis of Carboxylated Magnetic Fe₃O₄ Composites and Their Adsorption Behavior to Pb²⁺

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