一種粒徑可控Fe3O4納米粉的製備方法及其在油水分離中的應用與流程
2023-05-27 06:53:26 2
本發明涉及一種粒徑可控fe3o4納米粉的製備方法及其在油水分離中的應用，屬於無機納米粉體材料製備以及油水分離技術領域。
背景技術：
四氧化三鐵納米材料(fe3o4nms)具有廉價以及良好的磁學性能，在磁流體發電、靶向治療、負載催化劑回收以及汙水處理等方面應用廣泛。國內外研究者在fe3o4納米粉體的製備、形態控制及其實際應用等方面研究較多。水熱法是獲得fe3o4納米粉體一種重要方法，該法得到的fe3o4顆粒的形狀一般規則。同時，水熱法所需反應設備較簡單。因此，水熱法在製備fe3o4納米粉體方面應用廣泛。
水熱法製備fe3o4納米材料通常是以fecl3.6h2o為鐵源，採用諸如乙二醇、冬氨酸、維生素c、檸檬酸鈉和水合肼等還原劑，在反應釜中進行的。然而，由於所採用的還原劑的種類不同，最終所得到的fe3o4納米粉體的形態和性能的差異也很大。例如，使用乙二醇和檸檬酸鈉時，一般多數得到是fe3o4微球，其直徑約為200～800nm。此外，fe3+和還原劑通常需要在中性或鹼性體系中才能生成fe3o4物相。因此，各種製備方法均無法做到粒徑可控。
另外，針對fe3o4納米材料在油水分離中的應用，目前未見相關文獻報導。
技術實現要素：
本發明針對現有技術中所存在的不足之處，提供一種製備原理新穎、操作簡單、成本低廉、性能可控、可以批量生產的粒徑可控fe3o4納米粉的製備方法及其在油水分離中的應用。
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案為：一種粒徑可控fe3o4納米粉的製備方法，包括如下步驟：
1)、將0.3～0.4g的fecl3.6h2o和0.1～1g的甘露醇溶於60ml去離子水中超聲使其完全溶解；
2)、用naoh溶液調節溶液的ph值，使其達到3～11；
3)、將調配好的溶液轉入反應釜中，在180℃下經水熱合成反應24h後取出產物，經過後處理得到fe3o4納米粉。
作為本發明的粒徑可控fe3o4納米粉的製備方法的優選技術方案，製備方法中，步驟2)中所述naoh溶液的濃度為0.4～1mol/l，製備的fe3o4納米粉的粒度為5～60nm，顏色為黑色。
一種fe3o4納米粉在油水分離中的應用，將fe3o4納米粉體加入到油-水體系中並進行超聲分散處理，通過靜置或磁分離，將融入油相的fe3o4快速地從水相中分離出來。
優選地，油相與水相的體積比為0.1～10：1，油-水體系中fe3o4納米粉的使用量為15～25g/l。
本發明以fecl3.6h2o為鐵源，甘露醇為還原劑，採用水熱法製備，通過控制反應體系的ph大小可以對fe3o4納米粉體的粒徑和表面特性進行有效控制，從而使得fe3o4納米粉體的性能得以提高。同時發現製備出的fe3o4納米粉體具有優異的親油特性，可用於油水分離領域。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
1)、本發明首次通過調控氯化鐵-甘露醇水溶液的ph大小，得到了粒徑不同的系列fe3o4納米粉體，為fe3o4納米材料的合成提供了一種新的途徑。
2)、本發明製備的fe3o4納米粉體具有優異的親油性和良好的磁學性能，產量較大，成本低，無需進行二次改性即可應用於油汙分離以及重金屬吸附去除等領域。
3)、本發明在製備過程中所需原材料和設備都較少，操作工藝簡單，因此，生產成本和環保情況都比較理想。
附圖說明
圖1為實施例1～4製備產物的xrd圖；
圖2a～d依次為實施例1～4製備產物的fe-sem圖；
圖3為實施例1～4製備產物的vsm曲線；
圖4為採用fe3o4納米粉進行油水分離的宏觀演示圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
本發明方法所得產物的結構、形貌和磁性能進行表徵，分別選用x射線粉末衍射(xrd)、場發射掃描電子顯微鏡(fe-sem)和振動磁強計(vsm)，採用模擬油水體系進行產物的親油性能分析和表徵。
實施例1
溶液ph為3時製備fe3o4納米粉，具體步驟如下：
1)、將0.35g的fecl3.6h2o和0.5g的甘露醇溶於60ml去離子水中超聲使其完全溶解。
2)、用0.7mol/l的naoh溶液調節溶液的ph值，使其達到3。
3)、將調配好的溶液轉入反應釜中，在180℃下經水熱合成反應24h後取出產物，經過後處理得到黑色的fe3o4納米粉。
實施例2
溶液ph為5時製備fe3o4納米粉，具體步驟同實施例1，不同的是採用naoh溶液調節溶液的ph為5。
實施例3
溶液ph為7時製備fe3o4納米粉，具體步驟同實施例1，不同的是採用naoh溶液調節溶液的ph為7。
實施例4
溶液ph為11時製備fe3o4納米粉，具體步驟同實施例1，不同的是採用naoh溶液調節溶液的ph為11。
採用x衍射儀、掃描電子顯微鏡和磁強振動計分別對上述實施例得到的產物的結構、形態和室溫磁性能進行了初步表徵。
圖1為實施例1～4製備產物的xrd圖，通過與標準的fe3o4譜圖(pdf#：19-0629)相比後可知，在該實驗條件下所得的產物的相均為立方結構的fe3o4物相，以其中的(311)晶面衍射峰為例，可以看出，隨著ph值從小變到大，(311)晶面衍射峰半高寬(b)是在逐漸增大的，依據謝樂公式(d＝kλ/bcosθ，k為scherrer常數，d為晶粒尺寸，b為衍射峰半高寬，θ為衍射角，λ為x射線波長)可知，在其它參數都一定的情況下，產物的粒徑(d)在逐漸減小，粒徑範圍基本保持在5～60nm。
圖2a～d依次為實施例1～4製備產物的fe-sem圖，由該圖2可知，隨著ph值得逐漸增大，獲得的fe3o4粒徑逐漸減小，這與上述xrd的結果是相一致的。通過圖2中的系列插圖可以初步判斷，隨著ph值逐漸增加，產物粒徑在逐漸減少，在給定的相同的時間內(10分鐘)，產物從水中被磁分離出來的難易程度在逐漸增加，這初步說明，產物的磁性能隨ph值增加也在逐漸減弱。但是，需要指出的是，當強度一定的外磁場施加時間足夠長後(如24h)，所有產物都能將從水中被分離出來。
圖3為實施例1～4製備產物的室溫磁滯回線(vsm)，對圖3中各曲線進行比較分析後可以得出，隨著ph值逐漸增加，獲得的產物的飽和磁化強度(ms)和矯頑力(hc)的值均在逐漸減小。由此表明：產物也將由亞鐵磁性向超順磁性轉變，即產物表現出了超順磁特徵。
實施例5
溶液ph為4時製備fe3o4納米粉，具體步驟如下：
1)、將0.3g的fecl3.6h2o和1g的甘露醇溶於60ml去離子水中超聲使其完全溶解。
2)、用0.4mol/l的naoh溶液調節溶液的ph值，使其達到4。
3)、將調配好的溶液轉入反應釜中，在180℃下經水熱合成反應24h後取出產物，經過後處理得到黑色的fe3o4納米粉。
實施例6
溶液ph為9時製備fe3o4納米粉，具體步驟如下：
1)、將0.4g的fecl3.6h2o和0.1g的甘露醇溶於60ml去離子水中超聲使其完全溶解。
2)、用1mol/l的naoh溶液調節溶液的ph值，使其達到9。
3)、將調配好的溶液轉入反應釜中，在180℃下經水熱合成反應24h後取出產物，經過後處理得到黑色的fe3o4納米粉。
實施例7
fe3o4納米粉體的親油性演示：
(1)、將0.2g的fe3o4納米粉體加入到配製好的10ml的油-水體系(兩者比例為1：9)中，通過超聲分散處理，使fe3o4納米粉體在體系中分散均勻。
(2)、通過磁分離將融入油相的fe3o4一起從水中分離出來。
圖4為採用fe3o4納米粉進行油水分離的宏觀演示圖，可以看出，加入的fe3o4納米粉經超聲後，開始能均勻分散到水-油兩相中，靜置一段時間後發現，fe3o4納米粉體將完全融入到了油相中，於是，通過外磁場可以很方便地將fe3o4和油一起從水中分離出來。
以上內容僅僅是對本發明的構思所作的舉例和說明，所屬本技術領域的技術人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離發明的構思或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。