CN106955675A - 一种磁性水溶液及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性水溶液及其制备方法。该方法包括如下步骤：制备Fe3O4纳米颗粒物：将FeCl3溶液和FeCl2溶液均匀混合，在碱性条件下反应1～2h，经磁铁分离，洗涤、干燥后，得到Fe3O4纳米颗粒物；制备羧甲基纤维素钠胶状水溶液：将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中，水浴温度匀速升温至50℃并保持50℃恒温搅拌，待全部溶解之后，得到羧甲基纤维素钠胶状水溶液；制备磁性水溶液：将Fe3O4纳米颗粒物加入到所述的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，常温搅拌，得到磁性水溶液。本发明方法中的Fe3O4纳米颗粒物均匀分散在充分溶解的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，避免出现羧甲基纤维素钠未包裹Fe3O4纳米颗粒物的情况，导致羧甲基纤维素钠残留在环境中，以致无法充分吸附Fe(Ⅲ)离子。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性水溶液及其制备方法，还涉及一种磁性水溶液的应用。
背景技术
Fe(Ⅲ)离子作为一种广泛存在水体中的重金属，是生物体必需的元素之一。虽然国家未对其作明确限量规范，但富含Fe(Ⅲ)离子超标的废水排到水体会造成水体中的溶解氧迅速降低、水体浑浊，对环境造成一定危害。目前处理含Fe(Ⅲ)离子废水常见的方法有：膜分离、中和沉淀、生物处理等。膜分离由于成本高昂，不利于推广。中和法是通过加碱，形成氢氧化铁沉淀得以去除，但会形成含铁污泥。生物法是通过培养菌种，利用自身的新成代谢作用去除Fe(Ⅲ)离子，但步骤复杂，成本高昂。
中国专利CN105617977A公开了一种羧甲基纤维素钠改性Fe3O4纳米颗粒物的方法，但该方法提出直接将羧甲基纤维素钠粉末直接加入Fe3O4纳米颗粒物溶液中，由于羧甲基纤维素钠在水溶液中不易分散、搅拌时间不充分等因素影响，导致掺混不均匀，直接影响Fe(Ⅲ)离子的吸附量。
因此，有必要提出有效的技术方案，解决上述问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种磁性水溶液及其制备方法。该方法简单、条件温和、产率高，该方法得到的产物均匀、具有纳米粒径。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种磁性水溶液的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备Fe3O4纳米颗粒物：将FeCl3溶液和FeCl2溶液均匀混合，在碱性条件下反应1～2h，经磁铁分离，洗涤、干燥后，得到Fe3O4纳米颗粒物；
(2)制备羧甲基纤维素钠胶状水溶液：将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中，水浴温度匀速升温至50℃并保持50℃恒温搅拌5～20h，待全部溶解之后，得到羧甲基纤维素钠胶状水溶液；
(3)制备磁性水溶液：将步骤(1)所述的Fe3O4纳米颗粒物加入到步骤(2)所述的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，常温搅拌，得到磁性水溶液。
进一步的，步骤(2)所述将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中，具体为：在30～120min内分批次将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中。
进一步的，步骤(2)所述将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子中，具体为：将羧甲基纤维素钠粉末均匀分成五批次，每隔10min均匀慢速加到100g去离子水中。
进一步的，所述羧甲基纤维素钠粉末与去离子水的质量比为1:100-2:100。
进一步的，所述FeCl3溶液质量浓度为0.2-0.3g/mL，所述FeCl2溶液质量浓度为0.05-0.1g/mL，所述FeCl3溶液中的FeCl3和所述FeCl2溶液中的FeCl2的摩尔比为1:1-2:1。
进一步的，所述Fe3O4纳米颗粒物的质量和所述羧甲基纤维素钠胶状水溶液的体积比为1g:300mL-1g:2800mL。
本发明还提供一种利用上述方法制备得到的磁性水溶液。
本发明还提供一种上述磁性水溶液在污水中的应用。
有益效果：本发明方法中的Fe3O4纳米颗粒物均匀分散在充分溶解的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，避免出现羧甲基纤维素钠未包裹Fe3O4纳米颗粒物的情况，导致羧甲基纤维素钠残留在环境中，以致无法充分吸附Fe(Ⅲ)离子。
具体实施方式
本发明涉及一种磁性水溶液的制备方法，首先制备FeCl3溶液和FeCl2溶液，之后在碱性条件下反应得到Fe3O4纳米颗粒物，最后将羧甲基纤维素钠胶状水溶液与Fe3O4纳米颗粒物反应，得到混合均匀的本发明的磁性水溶液。该磁性水溶液与废水中的Fe(Ⅲ)离子反应之后迅速沉淀，外加磁铁即可分离。本发明反应步骤简单、条件温和、产率高，避免二次污染的隐患，有利于工业生产，可用作吸附去除废水中Fe(Ⅲ)离子的一种新型溶液。
其中，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备方法对本发明磁性水溶液来说是重要的。本发明方法中的Fe3O4纳米颗粒物均匀分散在充分溶解的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，避免出现羧甲基纤维素钠未包裹Fe3O4纳米颗粒物的情况，导致羧甲基纤维素钠残留在环境中，以致无法充分吸附Fe(Ⅲ)离子。羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备方法具体为：将羧甲基纤维素钠粉末均匀分成3-5批次，每隔10min均匀慢速加到100g去离子水中，水浴温度从25℃匀速升温至50℃并维持在50℃磁力搅拌18h，其中磁力搅拌对本发明羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备是重要的，可得到充分溶解的羧甲基纤维素钠胶状水溶液。
实施例1
将27.03g FeCl3.6H2O溶解于100mL且温度为0℃的去离子水里，在惰性气体保护下超声20min，制成FeCl3溶液；将9.94g FeCl2·4H2O溶解于100mL且温度为0℃的去离子水里，在惰性气体保护下超声20min，制成FeCl2溶液；将前述FeCl3溶液和FeCl2溶液均匀混合，用2mol/L氨水溶液将混合溶液的pH调至9.0，常温搅拌1.5h，用磁铁固液分离，并分别用清水冲洗三次，最后干燥得到Fe3O4纳米颗粒物；
将1.5g羧甲基纤维素钠粉末均匀分成三份，每隔10min均匀慢速分三次加到100g清水中，水浴温度从25℃匀速升温至50℃并维持在50℃磁力搅拌18h，得到羧甲基纤维素钠胶状水溶液；所述磁力搅拌为磁力转子以300rpm匀速搅拌。
将上述得到的0.3g Fe3O4纳米颗粒物匀速加入羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，常温搅拌2h，Fe3O4纳米颗粒物表面的铁离子与羧甲基纤维素钠上的羧基产生静电作用，使Fe3O4纳米颗粒物充分分散到羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，得到黑色的磁性水溶液。
实施例2
实施例2与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴维持在0℃磁力搅拌18h。
实施例3
实施例3与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度从0℃匀速升温至10℃并维持在10℃磁力搅拌18h。
实施例4
实施例4与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度从0℃匀速升温至25℃并维持在25℃磁力搅拌18h。
实施例5
实施例5与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度维持在25℃磁力搅拌18h。
实施例6
实施例6与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度从25℃匀速升温至35℃并维持在35℃磁力搅拌18h。
实施例7
实施例7与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度50℃磁力搅拌18h。
实施例8
实施例8与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度从50℃匀速升温至75℃并维持在75℃磁力搅拌18h。
实施例9
实施例9与实施例1的制备方法相同。不同之处仅在于，羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度为：水浴温度从50℃匀速升温至100℃并维持在100℃磁力搅拌18h。
试验例1
取按照实施例1的制备方法得到的磁性水溶液10mL，分别加入到90mL含10mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L、500mg/L、1000mg/L的Fe(Ⅲ)废水中，匀速搅拌2min，用磁铁分离静置2min，得到上清液。
用ICP-AOS5000型原子吸收仪测试上清液中Fe(Ⅲ)的含量。表1为不同Fe(Ⅲ)初始浓度对本发明磁性水溶液吸附量的影响。
将磁性水溶液中Fe3O4纳米颗粒物的质量作为吸附剂质量，如将10mL磁性水溶液中Fe3O4纳米颗粒物的质量作为吸附剂质量(0.03g)，公式如下：
Q＝(C初始浓度-C平衡浓度)×0.1/0.03
表1不同Fe(Ⅲ)初始浓度对磁性纳米材料水溶液吸附量的影响
如表1所示，使用同等量磁性水溶液，随着Fe(Ⅲ)初始浓度的不断增大，磁性水溶液的吸附能力亦不断增大。采用本发明方法制备的磁性水溶液吸附能力强，效果明显。
试验例2
取按照实施例1-实施例9的制备方法得到的磁性水溶液10mL，分别加入到100mL含900mg/L的Fe(Ⅲ)废水中，匀速搅拌2min，用磁铁分离静置2min，得到上清液。采用试验例1检测方法测量上清液中Fe(Ⅲ)的含量。表2为不同羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度对磁性纳米材料水溶液吸附量的影响表。
表2不同羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度对磁性纳米材料水溶液吸
附量的影响
由表2可看出，从节能降耗的角度讲，实施例1是最优的羧甲基纤维素钠胶状水溶液的制备温度。其中温度小于10的时候，羧甲基纤维素钠在搅拌10h时无法充分溶解；100℃时由于温度太高，导致部分羧甲基纤维素钠降解，最终导致吸附量降低。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围，而上述的说明并未指出本发明的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在本发明的权利要求书的范围内。
Claims (8)
1.一种磁性水溶液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备Fe3O4纳米颗粒物：将FeCl3溶液和FeCl2溶液均匀混合，在碱性条件下反应1～2h，经磁铁分离，洗涤、干燥后，得到Fe3O4纳米颗粒物；
(2)制备羧甲基纤维素钠胶状水溶液：将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中，水浴温度匀速升温至50℃并保持50℃恒温搅拌5～20h，待全部溶解之后，得到羧甲基纤维素钠胶状水溶液；
(3)制备磁性水溶液：将步骤(1)所述的Fe3O4纳米颗粒物加入到步骤(2)所述的羧甲基纤维素钠胶状水溶液中，常温搅拌，得到磁性水溶液。
2.如权利要求1所述的磁性水溶液的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中，具体为：在30～120min内分批次将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子水中。
3.如权利要求2所述的磁性水溶液的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述将羧甲基纤维素钠粉末溶解于去离子中，具体为：将羧甲基纤维素钠粉末均匀分成3-5批次，每隔10min均匀慢速加到100g去离子水中。
4.如权利要求3所述的磁性水溶液的制备方法，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠粉末与去离子水的质量比为1:100-2:100。
5.如权利要求4所述的磁性水溶液的制备方法，其特征在于，所述FeCl3溶液质量浓度为0.2-0.3g/mL，所述FeCl2溶液质量浓度为0.05-0.1g/mL，所述FeCl3溶液中的FeCl3和所述FeCl2溶液中的FeCl2的摩尔比为1:1-2:1。
6.如权利要求5所述的磁性水溶液的制备方法，其特征在于，所述Fe3O4纳米颗粒物的质量和所述羧甲基纤维素钠胶状水溶液的体积比为1g:300mL-1g:2800mL。
7.一种磁性水溶液，其特征在于，所述磁性水溶液根据如权利要求1-6任一项所述的磁性水溶液的制备方法得到。
8.一种如权利要求7所述的磁性水溶液在污水中的应用。
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