一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料及制备方法与流程

[0001]
本发明涉及污水处理用核壳复合磁性材料及其制备的技术领域，具体涉及一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料及制备方法。


背景技术：

[0002]
污水处理为使污水达到排入某一水体或再次使用的水质要求对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。
[0003]
按污水来源分类，污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。生产污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等，而生活污水就是日常生活产生的污水，是指各种形式的无机物和有机物的复杂混合物，包括：漂浮和悬浮的大小固体颗粒；胶状和凝胶状扩散物；纯溶液。
[0004]
按水污的质性来分，水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染，当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。污染物主要有：未经处理而排放的工业废水；未经处理而排放的生活污水；大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；水土流失；矿山污水。
[0005]
随着科技的发展，污水的直接利用已成为可能，使用污水源热泵系统对城市原生污水进行利用。所谓原生污水就城市直接排放未经处理的生活或者是工业废水，现阶段的利用方法是原生污水直接进入污水源热泵系统进行换热，在消耗少量电力的情况下为城市建筑物室内制冷供暖。污水再利用有几个技术难点需要克服:堵塞，腐蚀，换热效率。污水源热泵系统是有污水换热器和污水源热泵两部分构成。城市原生污水直接进入污水换热器进行换热后，换取的热量由污水源热泵内部的热泵做功传递到室内。成吨的污水排入天然水体，污染了5 .5万亿吨的清洁水源，因此污水处理已 刻不容缓。传统污水处理工艺中的物理方法、化学方法和生物方法等，往往不能得到满意的 结果。光催化氧化技术作为新兴的水处理新技术，以成本低、无二次污染的突出优点，在工 业废水处理方面具有巨大潜力，已得到人们的普遍认可。
[0006]
光催化作为一种绿色能源技术，因处理能力强、反应条件温和、无二次污染而引起了国内外学者的广泛关注。光催化剂本质上是一种半导体材料，当吸收能量大于或等于其 带隙能的光线时，价带上的电子会激发跃迁至导带，从而形成空穴电子对。这些空穴和电子，是具有很强氧化、还原能力的载流子，可以将吸附在半导体表面及周围的化学物质分解，甚至矿化为 h2o 和 co2 等无机小分子。但现有的用于污水处理的复合磁性材料往往存在比表面积不高，对污染物处理效果不好等问题。
[0007]
磁性材料以其特殊的性质在生产生活、科研中应用极其的广泛。由于磁性纳米材料能被外部磁场情况下所吸引，因而磁性纳米粒子被广泛的应用到磁流体、催化、生物医药 技术、核磁共振成像技术、数据储存和污水处理等方面。粘土是一种重要的矿物原料，广泛
分布于世界各地的岩石和土壤中，易得且价格 便宜。它具有很好的物理吸附性、表面化学活性及与其他阳离子交换的能力，故其被广泛用 制造陶瓷制品、耐火材料、建筑材料，在饮水加工和其它化学工艺中作为离子交换器以及密 封垃圾填埋场等。如果只单单用粘土去吸附一些污染物质，并不能实现高的吸附效率和有效的回收利用。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料及其制备方法，解决了现有技术中用于污水处理的复合磁性材料往往存在比表面积不高，对污染物处理效果不好等问题。
[0009]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为花状氧化锌。以交联壳聚糖三维网络固定四氧化三铁复合物为核体，表面定向生长的花状氧化锌为壳层，制备了一种新型核壳型复合磁性材料，其花状的外壳相比于粉末状的颗粒，可有效避免团聚、 增大与污染物的接触面积，提高污染物处理效率；交联壳聚糖优异的吸附能力，可有效吸附废水中的污染物到氧化锌光催化剂表面上，从而提高污染物的光催化降解效率。
[0010]
进一步地，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。定向生长的氧化锌利于吸附。
[0011]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入20-30重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入3-4重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至7-9，再滴加5-6重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣2-3次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤2-3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、5-8重量份的柠檬酸钠加入20-30重量份的去离子水中，常温搅拌至完全溶解，再加入10-15重量份的聚乙二醇和10-12重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至12-13，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤2-3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0012]
其花状的外壳相比于粉末状的颗粒，可有效避免团聚、 增大与污染物的接触面积，提高污染物处理效率；交联壳聚糖优异的吸附能力，可有效吸附废水中的污染物到氧化锌光催化剂表面上，从而提高污染物的光催化降解效率，制备方法简单，可广泛用于污水处理中。
[0013]
进一步地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为50-60%。
[0014]
进一步地，所述步骤二中氨水调节的ph值为8.0-8.2；所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为25-30%。
[0015]
进一步地，所述步骤二中交联反应的温度为50-60℃，交联反应的时间为3-5h；所述步骤二中干燥温度为90-100℃，干燥时间为2-3h。
[0016]
进一步地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为28-40khz下超声清洗1-2min，晾干，即得。碳氢清洗剂具有良好的环保特性和清洗能力。现在使用的大多数碳氢系清洗剂并不是原油简单蒸馏精致的产品，而是化学合成品或经过高级精炼处理的产品。碳氢系清洗剂从好、臭味小。将灯油馏分过分子筛萃取，蒸馏调整沸点，也有单一组分的物质。对于溶剂对油脂或油性污物的溶解性，不同溶剂一定温度下的溶液在冷却过程中，溶质分离的温度越低其对溶质的溶解度就越大。
[0017]
进一步地，所述步骤三中可溶性锌盐为氯化锌、硫酸锌和/或硝酸锌中的至少一种；所述强碱水溶液为0.8-1.0mol/l的氢氧化钠水溶液或0.8-1.0mol/l的氢氧化钾水溶液。
[0018]
进一步地，所述步骤三中反应温度为60-80℃，反应时间为3-5h；所述步骤三中干燥温度为60-70℃，干燥时间为3-4h。
[0019]
本发明的有益效果是：以交联壳聚糖三维网络固定四氧化三铁复合物为核体，表面定向生长的花状氧化锌为壳层，制备了一种新型核壳型复合磁性材料，其花状的外壳相比于粉末状的颗粒，可有效避免团聚、 增大与污染物的接触面积，提高污染物处理效率；交联壳聚糖优异的吸附能力，可有效吸附废水中的污染物到氧化锌光催化剂表面上，从而提高污染物的光催化降解效率；制备方法简单，可广泛用于污水处理中；其中核体为壳聚糖三维网络固定四氧化三铁复合物，其中四氧化三铁的含量为50-60%，具有一定磁性，利于形成表面定向生长的花状氧化锌。
附图说明
[0020]
图1：本发明用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的结构示意图；其中：1是交联壳聚糖/四氧化三铁复合物；2是生长的花状氧化锌。
具体实施方式
[0021]
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
[0022]
实施例1一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。
[0023]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入20重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入3重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至7，再滴加5重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣2次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤2次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、5重量份的柠檬酸钠加入20重量份的去离子水中，
常温搅拌至完全溶解，再加入10重量份的聚乙二醇和10重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至12，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤2次，干燥，得到用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0024]
具体地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为50%。
[0025]
具体地，所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为30%。
[0026]
具体地，所述步骤二中交联反应的温度为50℃，交联反应的时间为5h；所述步骤二中干燥温度为90℃，干燥时间为3h。
[0027]
具体地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为28khz下超声清洗2min，晾干，即得。
[0028]
具体地，所述步骤三中可溶性锌盐为氯化锌；所述强碱水溶液为0.8mol/l的氢氧化钠水溶液。
[0029]
具体地，所述步骤三中反应温度为60℃，反应时间为5h；所述步骤三中干燥温度为60℃，干燥时间为4h。
[0030]
实施例1得到的用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料是一种交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料，为核壳结构，如附图1示意图所示，1是交联壳聚糖/四氧化三铁复合物；2是生长的花状氧化锌。
[0031]
实施例2一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。
[0032]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入30重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入4重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至9，再滴加6重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣3次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、8重量份的柠檬酸钠加入30重量份的去离子水中，常温搅拌至完全溶解，再加入15重量份的聚乙二醇和12重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至13，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0033]
具体地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为60%。
[0034]
具体地，所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为30%。
[0035]
具体地，所述步骤二中交联反应的温度为60℃，交联反应的时间为3h；所述步骤二中干燥温度为100℃，干燥时间为2h。
[0036]
具体地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为40khz下超声清洗1min，晾干，即得。
[0037]
具体地，所述步骤三中可溶性锌盐为硫酸锌；所述强碱水溶液为1.0mol/l的氢氧化钠水溶液。
[0038]
具体地，所述步骤三中反应温度为80℃，反应时间为3h；所述步骤三中干燥温度为70℃，干燥时间为3h。
[0039]
实施例3一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。
[0040]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入25重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入3.5重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至8.0，再滴加6重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣3次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、6重量份的柠檬酸钠加入25重量份的去离子水中，常温搅拌至完全溶解，再加入12重量份的聚乙二醇和11重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至12.5，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0041]
具体地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为55%。
[0042]
具体地，所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为28%。
[0043]
具体地，所述步骤二中交联反应的温度为55℃，交联反应的时间为4h；所述步骤二中干燥温度为95℃，干燥时间为2.5h。
[0044]
具体地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为35khz下超声清洗2min，晾干，即得。
[0045]
具体地，所述步骤三中可溶性锌盐为硝酸锌；所述强碱水溶液为0.9mol/l的氢氧化钾水溶液。
[0046]
具体地，所述步骤三中反应温度为70℃，反应时间为4h；所述步骤三中干燥温度为65℃，干燥时间为3.5h。
[0047]
实施例4一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。
[0048]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入25重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；
步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入3.5重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至8.2，再滴加6重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣3次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、7重量份的柠檬酸钠加入28重量份的去离子水中，常温搅拌至完全溶解，再加入12重量份的聚乙二醇和11重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至12.8，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0049]
具体地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为55%。
[0050]
具体地，所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为28%。
[0051]
具体地，所述步骤二中交联反应的温度为55℃，交联反应的时间为4h；所述步骤二中干燥温度为95℃，干燥时间为2.5h。
[0052]
具体地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为35khz下超声清洗2min，晾干，即得。
[0053]
具体地，所述步骤三中可溶性锌盐为氯化锌和硫酸锌按照1:1重量混合得到；所述强碱水溶液为0.9mol/l的氢氧化钾水溶液。
[0054]
具体地，所述步骤三中反应温度为70℃，反应时间为4h；所述步骤三中干燥温度为65℃，干燥时间为3.5h。
[0055]
实施例5一种用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，所述核壳结构由核体和壳层组成，所述核体为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，所述壳层为表面定向生长的花状氧化锌。
[0056]
上述用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一、将10重量份壳聚糖加入22重量份的醋酸水溶液中，常温搅拌溶解，得到壳聚糖醋酸溶液，待用；步骤二、向步骤一中制得的10重量份的壳聚糖醋酸溶液加入3.5重量份的纳米四氧化三铁，常温下搅拌分散均匀，再加入氨水调节ph至8.1，再滴加5.5重量份的戊二醛水溶液进行交联反应，向混合液中加入预处理磁铁，静置至少24h，过滤除去滤液，再用水洗滤渣3次，再将磁铁吸附的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物剥离，再用二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，待用；步骤三、将10重量份的可溶性锌盐、7重量份的柠檬酸钠加入25重量份的去离子水中，常温搅拌至完全溶解，再加入12重量份的聚乙二醇和11重量份的交联壳聚糖/四氧化三铁复合物，常温搅拌分散均匀，再加入强碱水溶液调节ph至12.5，常温下搅拌均匀，将混合液转移至反应釜中反应，反应完成后转入离心机中离心，二氯甲烷洗涤3次，干燥，得到用于净化高氨氮水的核壳型磁性材料，为交联壳聚糖/四氧化三铁复合物上生长的花状氧化锌复合磁性材料。
[0057]
具体地，所述步骤一中醋酸水溶液的醋酸质量浓度为55%。
[0058]
具体地，所述步骤二中戊二醛水溶液的戊二醛质量浓度为28%。
[0059]
具体地，所述步骤二中交联反应的温度为55℃，交联反应的时间为5h；所述步骤二中干燥温度为95℃，干燥时间为3h。
[0060]
具体地，所述步骤二中预处理磁铁的预处理过程为：将磁铁放入碳氢系清洗剂中浸没，在频率为35khz下超声清洗2min，晾干，即得。
[0061]
具体地，所述步骤三中可溶性锌盐为硝酸锌；所述强碱水溶液为0.8mol/l的氢氧化钾水溶液。
[0062]
具体地，所述步骤三中反应温度为70℃，反应时间为4h；所述步骤三中干燥温度为65℃，干燥时间为3.5h。
[0063]
对比例1在交联壳聚糖/四氧化三铁复合物表面生成普通氧化锌，未形成花状氧化锌。其余与实施例5一致。
[0064]
对比例2未加入纳米四氧化三铁，其余与实施例5一致。
[0065]
将实施例1-5、对比例1-2得到的材料用于对化工污水处理的比较，对同一污水的氨氮有机物进行处理，处理10l的污水，加入5克核壳材料，在自然光处理4h,，测试氨氮有机物去除效果。如表1所示。
[0066]
表1：
样品氨氮有机物初始浓度（mg/l）处理后氨氮有机物浓度（mg/l）回收性实施例165013可回收实施例265014可回收实施例365015可回收实施例465013可回收实施例565013可回收对比例1650135可回收对比例2650127不易回收
本发明通过在交联壳聚糖与磁性四氧化三铁复合，不但具有吸附性，而且磁性材料容易分离，尤其是壳层未花状氧化锌，比表面积大，与污水、光线接触充分，光催化降解性优异。对比例1在交联壳聚糖/四氧化三铁复合物表面生成普通氧化锌，未形成花状氧化锌。其接触面较小，影响光催化降解性；对比例2未加入纳米四氧化三铁，由于不具有磁性，因此回收困难。