高效吸附重金属的自组装纳米薄膜MnO

摘要

高效吸附重金属的自组装纳米薄膜MnO

说明书

技术领域

本发明属于废水或污水处理，特别是用沉淀法分离重金属污染物的吸附剂及制备。

背景技术

重金属污染因其在环境中的富集性和长期存在性等特点已经引起了我们的高度关注。传统的污染水体重金属去除方法主要包括：离子交换、共沉淀、电渗析、过滤、电化学沉淀、反渗透、化学沉淀、吸附等。然而这些方法大多存在高成本、次生污染、去除不彻底等缺点。近年来，纳米尺寸的锰氧化合物因其具有特殊的晶型层级孔隙结构以及较大的比表面积、较强的氧化性和吸附能力以及在酸性介质中的稳定性等特点，成为最具开发潜力的治理重金属污染的活性化合物之一，其潜在的应用前景逐步成为人们研究的热点。但值得注意的是，在有效地治理环境问题方面，实现对锰氧化物的晶型、结晶度、颗粒尺寸及形貌的合成可控，仍是一项富有挑战又充满创新性的工作。到目前为止，合成复杂内部结构一般是通过传统的模板法，如聚合物、二氧化硅和碳无机球体，离子液体，微乳液滴和小泡等。由于合成周期长、成本高、去除模板步骤繁琐、操作不便且容易破坏产物结构等缺点，致使模板法的应用前景十分有限。因此，开发操作简单，产物特定内部结构稳定，具有较高去除力和普适性，更加绿色环保的锰氧化物及制备方法，尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于利用原料本身性质，自组装地合成一种具有小颗粒尺寸、较大的比表面积、结构稳定的纳米分级层状结构的MnO₂材料，该材料能够在酸性环境下表现出优良的吸附重金属的性能，以作为重金属吸附剂。

本发明同时旨在提出制备上述MnO₂材料的方法，该方法制备工艺简单、环保、成本低，具有良好的产业化发展前景。

本发明提出的用于重金属吸附去除的二氧化锰吸附剂制备方法如下：

高效吸附重金属的自组装纳米薄膜MnO₂材料，其特征是该材料具有由厚度2~3纳米的薄片自组装而成的、且大小700纳米的纳米薄膜分级层状结构。

所述的材料进一步为该材料薄片为四方晶型α-MnO₂，最强的三个衍射峰出现在四方晶型α-MnO₂的(200)、(310)和(211)晶面，且(310)晶面择优取向明显。

一种制备所述的高效吸附重金属的自组装纳米薄膜MnO₂材料的方法是：

取0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶解于适量去离子水后混合，加入去离子水，至最终溶液总体积为90毫升，搅拌15分钟，转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于140~180℃烘箱中保温6~48小时后，自然冷却至室温，收集沉淀物，洗涤，70℃干燥，得到吸附材料。

本发明具有的显著特点和进步是：

本发明所制备的自组装纳米薄膜分级层状MnO₂结构的XRD结果显示（图1）：反应温度范围140~180℃，通过与文献资料中的标准图谱（JCPDS 44-0140）对比确定为四方晶型α-MnO₂，比表面积较大和结构稳定；最强的三个衍射峰出现在四方晶型α-MnO₂的(200)、(310)和(211)晶面，且在(310)晶面择优取向明显(JCPDS card no. 44-0140，a = 0.978 nm, c =0.285 nm)，各衍射峰尖锐，表明水热法处理过程中晶体生长完全，产物晶相纯净，分级层状结构相对稳定，产品纯度较高，有更高的比表面积。

与传统的模板法相比，本发明采用水热一步法合成MnO₂吸附材料，无需去除模板，而依赖反应物自身特有的自组装纳米薄膜能力形成分级层状结构，因而不破坏性产物结构，更好地保持产品结构，且本发明合成方法操作简单，经济，易于回收循环绿色，适宜于工业化生产。

本发明材料作为重金属吸附剂，因其特有的纳米薄膜自组装分级层状结构，因而能在一般吸附剂难以耐受的酸性介质中，具有较高的重金属吸附性能，去除能力优异。以本发明材料作为重金属吸附剂在pH=3的酸性环境下去除效果（图8）表明：在具塞锥形瓶中配制浓度10mg·L^-1，体积100 mL的重金属Pb(II)，Cd(II)，Cu(II) 和 Cr(VI)吸附溶液，向其中分别加入 10 mg 吸附剂，恒温震荡约24小时，其对应吸附的重金属均可在85%以上，吸附效果好。

附图说明

    图1为本发明水热法合成的MnO₂重金属吸附剂的XRD图。

    图2为实施例1制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图3为实施例2制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图4为实施例3制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图5为实施例4制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图6为实施例5制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图7为实施例6制得的MnO₂重金属吸附剂SEM图。

    图8为实施例7中MnO₂重金属吸附剂的不同重金属去除率与时间关系图。

以下结合实施例对本发明做进一步说明，实施例包括但不限制本发明所保护的范围。

具体实施方式

实施例1：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于140℃烘箱中保温48小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例2：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于160℃烘箱中保温48小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例3：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于180℃烘箱中保温48小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例4：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于140℃烘箱中保温6小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例5：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于140℃烘箱中保温12小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例6：

取原料试剂0.28g KMnO₄、0.01g NH₄H₂PO₄、0.01g Na₂SO₄·10H₂O 分别溶于适量去离子水中，充分溶解后，溶液混合并加入一定量去离子水，使最终溶液总体积为90毫升。搅拌15分钟，溶液转移至不锈钢聚四氟乙烯100毫升反应釜中，于140℃烘箱中保温24小时，断电使其随炉自然冷却至室温，沉淀物离心分离，并用去离子水、乙醇洗涤数次。70℃真空干燥过夜，得到纳米薄膜自组装分级层状结构MnO₂吸附材料。

实施例7

准确称取吸附剂，对不同重金属离子做吸附去除实验。吸附试验是在调速多用振荡仪中恒温条件下进行的。在具塞锥形瓶中配制浓度10mg·L^-1，pH=3，体积100 mL的重金属Pb(II)，Cd(II)，Cu(II) 和 Cr(VI)吸附溶液，向其中分别加入 10 mg 吸附剂，然后恒温震荡24小时。在吸附过程中利用针筒式过滤器分时间节点取样，稀释一定倍数后采用原子吸收光谱仪测定样品中重金属含量，分析记录吸附效果如图8所示。

以上振荡仪为江苏大地自动化仪器厂型号HY-2，原子吸收光谱仪为日立公司型号Z-2000。