一种去除水中氯代有机物的磁性碳纳米管的再生方法

摘要

本发明涉及一种去除水中氯代有机物的磁性碳纳米管的再生方法，首先采用热分解法制备磁性碳纳米管，此磁性碳纳米管具有高的比表面积、磁性好、吸收微波特性，适合用吸附-微波再生处理水中多氯代有机物。实现了有效地吸附处理水体中有机物，并磁分离技术回收碳纳米管，并微波快速再生，重复利用数次性能稳定，解决碳纳米管实际应用中费用高的问题。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种去除水中氯代有机物的磁性碳纳米管的再生方法。

背景技术

多氯代有机物在诸多工业如化工、医药、制革、电子、农药等方面得到广泛 应用，导致大量含氯化合物及其合成过程中产生的中间产物被排放到环境中。几 乎所有的氯代有机物都具有毒性，其中很多氯代有机物被认为具有“致癌、致畸、 致突变”（三致）效应或可疑的三致效应。因此，许多国家将氯代有机物作为环 境优先控制污染物加以控制。例如，在我国环境优先污染物“黑名单”公布的 58种有毒有机物中，氯代有机物达20多种。由于氯代有机物结构稳定，半衰期 长，在自然环境中难以降解，一旦进入环境将对人类及其生态环境造成长期威胁。 因此，对氯代有机物的高效治理方法已成为水处理领域的热点

吸附法具有简单、快速、高效等优点去除废水中的有机物和无机物质中广泛 应用。不论是在技术上,还是在应用范围和处理规模上都发展很快,并取得了满意 的效果。

近年来，碳纳米管作为一种新型的吸附材料，具有较大的比表面、表面活性 高，且具有独特的网状的微孔通道，引起了研究者的高度重视。已有很多报道， 碳纳米管对废水中有机物和无机物的吸附。如碳纳米管的价格大幅度降低，环境 应用逐渐成为可能。碳纳米管实际应用中面临的重要问题如下，首先，碳纳米管 粒径小难分离，使运行费用增高；其次，碳纳米管的价格贵，不回收重复利用， 造成资源浪费。

本技术是热分解法制备磁性碳纳米管，此磁性碳纳米管具有高的比表面积、 磁性好、吸收微波特性，适合用吸附-微波再生处理水中多氯代有机物。实现了 有效地吸附处理水体中有机物，并磁分离技术回收碳纳米管，并微波快速再生， 重复利用数次性能稳定，解决碳纳米管实际应用中费用高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有氯代有机物去除效果不理想，使用的 吸附材料难回收重复利用的问题，提供吸附能力强、容易磁分离回收，易快速微 波再生吸附剂的方法。

本发明所述技术问题是由以下技术方案实现的：

一种去除水中氯代有机物的磁性碳纳米管的再生方法，其特征在于该方法包 括以下步骤，

步骤一：碳纳米管制备：

将催化剂前驱和碳源（二茂铁和二甲苯，0.45%Fe/C)混合溶液以0.08mL/min 通入管式电炉中的玻璃管中，同时1000mL/min通入9:1的氩气和氢气混合气体， 在900℃下，反应时间为2h，反应结束后，将氩气保护下冷却至400℃，然后通入 空气自然冷却至室温，得到多壁碳纳米管；

步骤二，碳纳米管纯化：

将4.0mol/L的HNO₃和2.0mol/L的H₂SO₄，1:1混合，制得混合酸液，将步 骤一所制得的多壁碳纳米管放入混合酸液中形成混合液，碳纳米管和混酸质量比 例为1:20，在100℃下回流5h后，用0.45μm的微孔膜过滤，依次用超纯水和无 水乙醇各清洗数次，使得过滤物的pH值为中性，置于60℃的干燥箱中抽真空干 燥8h，既得纯化碳纳米管样品；

步骤三，碳纳米管磁性修饰：

将步骤二所制得的纯化碳纳米管样品与0.5mol/L FeSO₄·7H₂O溶液按1:10混 合，搅拌10min后,缓慢加入H₂O₂,，制得混合液，在80℃下回流4h后过滤,清 洗直无色透明,制得获得碳纳米管表面负载氧化铁的前躯体.将前躯体置于120 ℃下干燥2h。将该干燥后的前驱体放入石英舟中，通入氮气,在600℃下进行热 分解2h，得到磁性碳纳米管，保存备用；

步骤四，去除水中氯代有机物和碳纳米管磁分离回收：

将步骤三所制得的磁性碳纳米管放入氯代有机物溶液进行吸附（质量比为 100：2～10）,在25℃下转速为180rpm恒温振荡2h至吸附平衡，磁分离回收碳 纳米管，完成去除水中氯代有机物和吸附剂回收，计算其吸附量；

步骤五，磁性碳纳米管的再生：

将步骤四种吸附有氯代有机物磁性碳纳米管从水中分离，并置于密闭的石英 微波反应器内再生。

所制备碳纳米管采用催化裂解法，催化剂前驱和碳源为二茂铁和二甲苯 (0.45%Fe/C)混合溶液，900℃下催化裂解法制得。

所制备磁性碳纳米管采用热分解法，将纯化碳纳米管与0.5mol/L  FeSO₄·7H₂O溶液按1:10混合，加入H₂O₂,80℃下回流4h,过滤,在600℃下进行热 分解2h，制得磁性碳纳米管

所述石英微波反应器包括：时间控制器（1），功率控制器（2），陶瓷支撑（3）， 石英反应器（4），吸收瓶（5）和微波炉（7），所述石英反应器（4）放于陶瓷支 撑（3）上并置于微波炉（7）中，所述石英反应器（4）为中空结构，用于盛放 吸附有氯代有机物磁性碳纳米管，该石英反应器（4）的出口端通向微波炉（7） 外部的吸收瓶（5），所述微波炉（7）由时间控制器（1）和功率控制器（2）控 制。

所述微波炉（7）的反应功率为频率为2450MHz，功率为（400～1200W可 调），温度测定采用K型热电偶测定碳纳米管表面温度变化（测定范围0～1200 ℃），碳纳米管放入量为石英反应器容积的（1/5～4/5）。

将石英反应器（4）中吸附有氯代有机物的分解产物，由吸收瓶（5）收集。

有益效果：

1）本方法制备的磁性材料主要负载于碳纳米管表面，未填充到碳纳米管内， 因此磁性碳纳米管对氯代有机物吸附量高，相比未镀磁性材料碳纳米管吸附量降 低量不到5%。

2）由于磁性碳纳米管具有良好的磁性和吸收微波特性，有利于快速磁分离 回收碳纳米管，微波辐照再生优点。碳纳米管回收时间小于1min,微波再生时间 3～5min，再生率达到100%以上。节约了处理时间，节省能量，降低处理成本。

3）由于碳纳米管高机械强度，微波辐照再生数次，结构未明显变化，损失 量少使用5次损失量只有6.3%，且再生率保持100%以上。

4)本方法中微波辐照下，磁性碳纳米管表面温度快速达到1000℃以上，能 有效矿化氯代有机物，无二次污染，是绿色环保技术。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明所采用的微波辐照再生吸附PCP磁性碳纳米管的过程；

图2是磁性碳纳米管的SEM和TEM图（右下角）；

图3是磁性碳纳米管的XRD图；

图4是磁性碳纳米管对五氯苯酚吸附动力学；

图5是石英微波反应器的结构示意图；

图6是磁性CNTs在微波场中的升温过程图；

图7是再生次数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种去除水中氯代有机物的磁性碳纳米管的再生方法，其特征在于该方法包 括以下步骤，

步骤一：碳纳米管制备：

将催化剂前驱和碳源为二茂铁和二甲苯(Fe:C为1:200)混合溶液以 0.08mL/min通入管式电炉中的玻璃管中，同时1000mL/min通入9:1的氩气和氢气 混合气体，在900℃下，反应时间为2h，反应结束后，将氩气保护下冷却至400 ℃，然后通入空气自然冷却至室温，得到多壁碳纳米管；

步骤二，碳纳米管纯化：

将4.0mol/L的HNO₃和2.0mol/L的H₂SO₄，1:1混合，制得混合酸液，将步 骤一所制得的多壁碳纳米管放入混合酸液中形成混合液，碳纳米管和混酸质量比 例为1:20，在100℃下回流5h后，用0.45μm的微孔膜过滤，依次用超纯水和无 水乙醇各清洗数次，使得过滤物的pH值为中性，置于60℃的干燥箱中抽真空干 燥8h，既得纯化碳纳米管样品；

步骤三，碳纳米管磁性修饰：

将步骤二所制得的纯化碳纳米管样品与0.5mol/L FeSO₄·7H₂O溶液混合，1:10 混合，搅拌10min后,缓慢加入H₂O₂,，制得混合液，在80℃下回流4h后过滤, 清洗溶液无色,制得获得碳纳米管表面负载氧化铁的前躯体.将前躯体置于120 ℃下干燥2h。将该干燥后的前驱体放入石英舟中，通入氮气,在600℃下进行热 分解2h，得到磁性碳纳米管，保存备用；

步骤四，去除水中氯代有机物及碳纳米管磁分离回收：

将步骤三所制得的磁性碳纳米管放入氯代有机物溶液进行吸附（质量比为 100：2～10）,在25℃下转速为180rpm恒温振荡2h至吸附平衡，磁分离回收 碳纳米管，完成去除水中氯代有机物和吸附剂回收，计算其吸附量；

步骤五，磁性碳纳米管的再生：

将步骤四种吸附有氯代有机物磁性碳纳米管从水中磁分离回收，并置于密闭 的石英微波反应器内再生。

所述石英微波反应器包括：时间控制器（1），功率控制器（2），陶瓷支撑（3）， 石英反应器（4），吸收瓶（5），温度测定仪（6）和微波炉（7），所述石英反应 器（4）放于陶瓷支撑（3）上并置于微波炉（7）中，所述石英反应器（4）为中 空结构，用于盛放吸附有氯代有机物磁性碳纳米管，该石英反应器（4）的出口 端通向微波炉（7）外部的吸收瓶（5），所述微波炉（7）由时间控制器（1）和 功率控制器（2）控制。

所述微波炉（7）的反应功率为频率为2450MHz，功率为（400～1200W可 调），温度测定采用K型热电偶测定碳纳米管表面温度变化（测定范围0～1200 ℃），碳纳米管放入量为石英反应器容积的（1/5～4/5）。将石英反应器（4）中吸 附有氯代有机物的分解产物，由吸收瓶（5）收集。

实施例：

对模拟吸附水中五氯苯酚（PCP）的磁性碳纳米管微波再生处理，流程如图1 磁性碳纳米管制备及特性

称取纯化CNTs样品与0.5mol/L FeSO₄·7H₂O溶液混合，搅拌10min后,缓 慢加入H₂O₂,在80℃下回流4h后过滤,清洗,获得CNTs表面负载氧化铁的 前躯体.将前躯体置于120℃下干燥2h.将该前驱体放入石英管中,通入氮气, 在600℃下进行热分解2h,得到磁性碳纳米管，结果如图2.SEM图中可以看 出CNTs的直径比较均匀,外径为50nm左右,TEM图中可以看出,磁性纳米 粒子形状基本为球形、粒径大小均匀。经比表面积分析可知,磁性CNTs的 比表面积为146.7m²/g。

图3为磁性CNTs的XRD谱图。CNTs样品中,衍射角2θ为26.5°只有明 显的CNTs的(002)晶面;磁性CNTs图中除了明显的CNTs晶面以外,衍射角 2θ为30.1°、35.4°、43.1°、53.4°、57.4°和63.1°处有明显衍射峰,分别归属于 Fe₃O₄的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面。从图中可以看出,除 了Fe₃O₄和CNTs之外没有发现其他物相,这说明所制备的磁性材料为Fe₃O₄纯度较高。

磁性碳纳米管吸附分离效果

磁性碳纳米管对五氯苯酚的吸附动力学图4所示。可知磁性碳纳米管对五氯 苯酚吸附平衡块，40min达到平衡，且吸附量可达30.5mg/g。表明吸附快，吸 附量大。外磁场条件容易使吸附剂吸附分离达到回收目的。

微波再生

微波再生装置如图5所示，称取5g的磁性CNTs置于250mL的三角瓶中， 加入体积为100mL浓度为1000mg/L的PCP溶液，在25℃下转速为180rpm恒 温振荡2h至吸附平衡,计算其饱和吸附量。将吸附饱和的磁性CNT磁分离回收 后置于密闭的特制石英微波反应器内再生。实验装置如图5所示。采用的是改装 功率连续可调的家用微波炉,频率为2450MHz.炉腔上下开孔，在微波炉中安装 一柱状石英反应器(20mm i.d.)，在石英反应器的底部有筛板.反应器的上部经过 冷凝系统,收集馏出液,对产物用两个装有NaOH溶液的吸收。

磁性碳纳米管升温与再生

850W功率下辐照180s，CNTs再生效果和温度变化如图6所示。图6可 以看出，微波功率为850W时,CNTs在100s内温度快速上升至1100℃,这种 高温能使五氯苯酚快速分解。将吸附饱和的磁性CNTs置于微波炉的反应器内 微波照射3min,再生率达到110%，经收集流出气体分析表明无二次污染产物。 表明再生完全矿化。

再生次数

吸附饱和的CNTs置于反应器中,在850W功率下的微波辐照3min.然后 将辐照后的CNTs再次用于吸附PCP。在相同条件下，这种CNTs吸附/微波 辐照再生操作反复进行了5次。结果如图7。可以看出，前2次随着再生次数 的增加，碳纳米管再生率逐渐升高，再提高次数再生率趋于稳定。这是由于与新 CNTs相比，开始随着微波再生次数提高，显示出更大的比表面积，但接着提 高再生次数比表面积趋于稳定.经比表面积分析，新CNTs比表面积为146.7 m²/g，再生3次后比表面积为154.1m²/g，再生5次后比表面积为155.1m²/g。

再生工艺中,CNTs损失量是实际应用中重要经济指标.本技术中CNTs的 初始重量是3g，5次吸附/再生循环后其干重为2.81g,即CNTs损失为6.3%.以 上结果表明,磁性碳纳米管独特的微结构特性,使碳纳米管在微波场中，吸收 微波能力强，再生快，机械强度高不易破坏。

总上，热分解法制备的磁性碳纳米管用于吸附/微波再生处理水中PCP,由 于所制备的磁性碳纳米管比表面积大、磁性好、吸收微波能力强优点，对水 中PCP有良好的吸附能力高，其平衡吸附量可达到30.5mg/g;且吸附饱和后 碳纳米管容易磁分离技术回收.另外,吸附饱和后的磁性碳纳米管在微波辐 射快速得到再生，重复利用数次,再生效果稳定,在有机污染水体的吸附相关 的实际应用具有较好的应用前景

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应 理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改 动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。