一种有效去除低浓度磷酸根的层状双金属氧化物吸附剂制备方法

摘要

本发明公开了一种有效去除低浓度磷酸根的层状双金属氧化物吸附剂制备方法及其应用。本发明首先在以疏水性离子液体BmimPF6为油相，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为助溶剂的BmimPF6/DMF/H2O离子液体包水反相无表面活性剂微乳液体系中，采用双微乳液共沉淀法方法制备小粒径超薄层状双金属氢氧化物纳米片前驱体，然后在空气气氛中500℃高温将其煅烧，制备层状双金属氧化物吸附剂。所得层状双金属氧化物的比表面积为107.36～158.46m2/g，孔径为8.56～11.17nm，孔容为0.358～0.468cm3/g；在水介质中能恢复形成粒径为150～200nm、厚度约为5nm、粒径分布均一的层状双金属氢氧化物纳米片；其对低浓度磷酸根的吸附率远高于其前驱体层状双金属氢氧化物和传统共沉淀法制备的大颗粒类水滑石。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种有效去除低浓度磷酸根的层状双金属氧化物吸附剂制备方法，以及本发明涉及制备方法所得层状双金属氧化物吸附剂对水体中低浓度磷酸根的吸附应用，属于纳米材料领域。

背景技术：

随着工农业现代化的发展，大量氮、磷等营养物质随污水进入水体，使得近海和湖泊水体出现富营养化，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，造成水体水质恶化、水生生物大量死亡等后果，不但破坏生态系统，而且产生的毒素会通过食物链威胁人类健康。研究表明磷是水体富营养化的关键控制因素，当其浓度高于0.03mg/L时，水体的富营养化就会导致赤潮或水华发生。因此，有效降低排放废水中磷的含量对抑制水体富营养化、预防赤潮或水华发生具有重要意义。国内外废水除磷的方法主要有生物法、吸附法、化学沉淀法、结晶法和离子交换法、以及生态法等，其中吸附法因其具有设备简单、操作简便、不产生二次污染等优点，倍受青睐，而粘土矿物因其具有独特的层状结构、大的比表面积、良好的吸附和离子交换性能，且储量丰富、价格低廉、对环境无毒无害、容易再生，已作为新型高效的吸附材料在废水除磷领域得到了广泛应用[ZhouJ,YangS,YuJ,ShuZ.Novelhollowmicrospheresofhierarchicalzinc–aluminumlayereddoublehydroxidesandtheirenhancedadsorptioncapacityforphosphateinwater.J.Hazard.Mater.2011,192,1114–1121.]。

层状双金属氢氧化物(LayeredDoubleHydroxides,LDH)是一类阴离子粘土，其通式为[M_1-x²⁺M_x³⁺(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，其中M(OH)₆八面体共用棱而呈现开放的片层堆积结构，每个八面体单元由六配位的中心金属离子M和位于顶点的OH-形成。由于部分M²⁺被M³⁺取代会使片层带结构正电荷，层间存在可交换的阴离子使电荷达到平衡。LDH层间的接合力较弱，夹层空间富有弹性，具有较大的表面积、较高的离子交换容量和优良的热稳定性等特点，对有机和无机阴离子表现出很强的捕获能力。然而LDH在400～800℃煅烧后可产生非化学计量的层状双金属氧化物(LDO)，由于LDH的“记忆效应”，煅烧产物LDO在含有污染物的水溶液中发生水合，重新恢复LDH的过程中将阴离子污染物插入层间，因而具有更高的吸附容量[CaiP,ZhengH,WangC,MaH,HuJ,PuY,LiangP.CompetitiveadsorptioncharacteristicsoffluorideandphosphateoncalcinedMg-Al-CO₃layereddoublehydroxides.J.Hazard.Mater.2012,213-214,100-108.]。目前LDH和LDO已成功用于排放废水、海水中磷酸银的去除。但是常规法制备所得的LDH粒径较大且形貌不可控，而且使用时容易发生聚集，得到的煅烧产物LDO对污染物的吸附性能并没有得到充分发挥，因此，提高前驱体LDH的表面积、增加吸附位点和吸附容量，对开发高效LDO吸附剂有着重要的意义。

反相微乳液通常是无数的“微小水滴”分散在连续油相中，形成的各向同性、透明和热力学稳定的分散体系，由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等组分以适当比例组成。这些稳定的彼此分离的每一个“微小水滴”都是一个微反应器，拥有很大的界面，其可调的大小不仅能够控制纳米粒子的成核和生长，而且还能控制粒子的大小，被认为是可控制备无机纳米粒子的优良介质。传统反相微乳液中都含有表面活性剂，采用它们制备的无机纳米粒子无一例外地都混有表面活性剂，特别是采用反相微乳液制备LDH时，表面活性剂会以阴离子形式插层到其层间，或吸附在层状材料的表面[HuG,O’HareD.Uniquelayereddoublehydroxidemorphologiesusingreversemicroemulsionsynthesis,J.Am.Chem.Soc.2005,127,17808-17813.]，使所得吸附材料使用时会造成二次污染，而且也使吸附材料的再生过程异常繁琐，成本较高。

研究表明，在没有表面活性剂存在下，一些三组份体系也可形成微乳液，这类微乳液被称为无表面活性剂微乳液(Surfactant-freeMicroemulsion，SFME)。采用SFME体系制备LDH，不仅可以控制纳米粒子大小、粒径分布范围窄、提高分散性、得到的LDH粒子不存在杂质污染，而且组份简单、操作简便，从根本上解决传统微乳液制备LDH时存在的问题，同时也为制备高效LDO吸附剂提供了新的思路。但是，在以疏水性离子液体BmimPF₆为油相，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为助溶剂的BmimPF₆/DMF/H₂O离子液体包水反相SFME体系中先制备小粒径超薄LDH纳米片，然后再高温煅烧制备LDO，以及将其用于水体中低浓度磷酸根吸附的相关研究还未见报道。

发明内容：

针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本发明的目的是提供一种有效去除低浓度磷酸根的层状双金属氧化物吸附剂制备方法。先在以疏水性离子液体BmimPF₆为油相，以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为助溶剂的BmimPF₆/DMF/H₂O离子液体包水反相SFME体系中，以双微乳液共沉淀法方法制备小粒径超薄LDH纳米片，然后再500℃高温煅烧制备得到比表面积大、吸附性能高的层状双金属氧化物吸附剂。

本发明提供的一种层状双金属氧化物吸附剂的制备方法，是先采用双微乳液共沉淀法制备其前驱体层状双金属氢氧化物，然后再对其进行高温煅烧制备层状双金属氧化物，具体包括以下步骤：

1)分别称取MgCl₂·6H₂O和AlCl₃·9H₂O，加入去离子水，配制总金属离子浓度为0.05～3.0mol/L的MgCl₂和AlCl₃的混合盐水溶液；向该混合盐溶液中加入N,N-二甲基甲酰胺DMF和疏水性离子液体BmimPF₆，其中混合盐水溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为2～15：30～50：40～70，室温下磁力搅拌30～60min，待溶液由混浊变为透明，制备得到了反相微乳液A；

2)取一定体积浓度为25％的氨水，向其中加入DMF和BmimPF₆，其中25％的氨水、DMF和BmimPF₆的体积比为2～15：30～50：40～70，室温下磁力搅拌30～60min，待溶液由混浊变为透明，制备得到了反相微乳液B；

3)在磁力搅拌条件下，将反相微乳液A和反相微乳液B同时滴定，控制pH在9.0～10.0之间，室温搅拌反应12h，之后在25～75℃条件下老化10～24h，所得浆液在10000rpm转速下离心10min，依次用DMF、无水乙醇和去离子水分别洗涤2次，60℃真空下干燥12小时，得前驱体小粒径超薄层状双金属氧化物纳米片；

4)将步骤3)所得的前驱体小粒径超薄层状双金属氢氧化物纳米片干粉放入马弗炉中，于空气气氛中在500℃条件下煅烧3～8小时，得层状双金属氧化物吸附剂。

步骤1)中MgCl₂和AlCl₃混合盐溶液中金属离子的总浓度为0.45mol/L，MgCl₂和AlCl₃的摩尔比为2：1；所述水相为混合盐水溶液的反相微乳液A和水相为氨水溶液的反相微乳液B中水溶液、DMF和BmimPF₆的体积比完全相等；步骤3)所得的前驱体小粒径超薄层状双金属氢氧化物纳米片的横向尺寸为10～35nm，平均厚度为0.71nm，由单层层状双金属氢氧化物片组成。

由上述制备方法制备出的层状双金属氧化物比表面积为107.36～158.46m²/g，孔径为8.56～11.17nm，孔容为0.358～0.468cm³/g。

由上述制备方法制备所得的层状双金属氧化物吸附剂，在水介质中能恢复形成粒径为150～200nm、厚度约为5nm、粒径分布均一的层状双金属氢氧化物纳米片。

由上述制备方法制备所得的层状双金属氧化物吸附剂，适合于水体中低浓度磷酸根的吸附应用，所述的应用是将层状双金属氧化物吸附剂加入到磷酸根浓度为2mg/L的水溶液中，室温振荡反应5小时。

本发明与现有技术相比，主要的有益效果和优点在于：

1)本发明所述的有效去除低浓度磷酸根的层状双金属氧化物吸附剂制备方法，解决了传统共沉淀法制备前驱体LDH时存在的聚集、粒径大、粒径分布范围宽、比表面积小等缺陷，呈现出了粒径小、粒径分布范围窄、比表面积大、片层薄、孔容小等特点，相应地，高温煅烧产物层状双金属氧化物具有比表面积大、吸附性能高的优点。

2)本发明所述的制备方法，在制备前驱体LDH时采用的三组份反相微乳液体系组分简单，不含表面活性剂，产物纯化时不存在去除表面活性剂的繁琐过程；前驱体LDH高温煅烧后即可制得层状双金属氧化物吸附剂，因此制备高效层状双金属氧化物吸附剂更加简单环保。

3)本发明所采用的反相微乳液体系为离子液体包水反相微乳液，相比于现有微乳液体系，更加符合绿色化学的要求。

4)由本发明所述制备方法所得的层状双金属氧化物吸附剂，对水体中低浓度磷酸根的吸附性能大大优于LDH，并且制备方法操作简单、条件温和、成本低。

附图说明：

图1为实施例2、对比例1～3所得样品的XRD衍射图。

图2为实施例2、对比例1～2所得样品的N₂吸附脱附等温线和孔径分布图。

图3为实施例2、对比例1～3所得样品的扫描电镜照片。

图4为实施例2所得层状双金属氧化物吸附剂的原子力显微镜照片(a)和a图中沿红色直线的横断面分析(b)。

具体实施方式：

为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但并不以任何方式限制本发明。

实施例1：

1)分别称取MgCl₂·6H₂O和AlCl₃·9H₂O，加入去离子水，配制总金属离子浓度为0.45mol/L，MgCl₂和AlCl₃的摩尔浓度比为2：1；向该混合盐溶液中加入N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和疏水性离子液体BmimPF₆，其中混合盐溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为4：48：48，室温下磁力搅拌40min，待溶液由混浊变为透明，制备得到了反相微乳液A；

2)取一定体积浓度为25％的氨水，向其中加入DMF和BmimPF₆，使25％的氨水、DMF和BmimPF₆的体积比为4：48：48，室温下磁力搅拌40min，待溶液由混浊变为透明，制备得到了反相微乳液B；

3)在磁力搅拌条件下，将反相微乳液A和反相微乳液B同时滴定，控制pH在9.0～10.0之间，室温搅拌反应12h，之后在75℃条件下老化24h，所得浆液在10000rpm转速下离心10min，依次用DMF、无水乙醇和去离子水分别洗涤2次，60℃真空下干燥12小时，得前驱体小粒径超薄层状双金属氧化物纳米片。

4)将步骤3)所得的前驱体小粒径超薄层状双金属氢氧化物纳米片干粉放入马弗炉中，于空气气氛中在500℃条件下煅烧5小时，得层状双金属氧化物吸附剂，记为LDO_a。

实施例2：

1)参照实施例1步骤1)中的方法和制备条件，只改变混合盐溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为7：46.5：46.5，制备得到了反相微乳液A；

2)参照实施例1步骤2)中的方法和制备条件，只改变混合盐溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为7：46.5：46.5，制备得到了反相微乳液B；

3)采用实施例1步骤3)中的方法和制备条件，得到前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片；

4)采用实施例1步骤4)中的方法和制备条件，煅烧上步得到的前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片，得层状双金属氧化物吸附剂，记为LDO_b。

实施例3：

1)参照实施例1步骤1)中的方法和制备条件，只改变混合盐溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为7：31：62，制备得到了反相微乳液A；

2)参照实施例1步骤2)中的方法和制备条件，只改变混合盐溶液、DMF和BmimPF₆的体积比为7：31：62，制备得到了反相微乳液B；

3)采用实施例1步骤3)中的方法和制备条件，得到前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片；

4)采用实施例1步骤4)中的方法和制备条件，煅烧上步得到的前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片，得层状双金属氧化物吸附剂，记为LDO_c。

实施例4：

1)采用实施例2步骤1)中的方法和制备条件，制备得到了反相微乳液A；

2)采用实施例2步骤2)中的方法和制备条件，制备得到了反相微乳液B；

3)采用实施例1步骤3)中的方法和制备条件，只是将老化时间减少到12h，得到前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片；

4)采用实施例1步骤4)中的方法和制备条件，煅烧上步得到的前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片，得层状双金属氧化物吸附剂，记为LDO_d。

实施例5：

1)采用实施例2步骤1)中的方法和制备条件，制备得到了反相微乳液A；

2)采用实施例2步骤2)中的方法和制备条件，制备得到了反相微乳液B；

3)采用实施例1步骤3)中的方法和制备条件，只是将反应温度降低为25℃，得到前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片。

4)采用实施例1步骤4)中的方法和制备条件，煅烧上步得到的前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片，得层状双金属氧化物吸附剂，记为LDO_e。

对比例1：

1)分别称取MgCl₂·6H₂O和AlCl₃·9H₂O，加入去离子水，配制总金属离子浓度为0.45mol/L，MgCl₂和AlCl₃的摩尔浓度比为2：1，制备得到了溶液A；

2)浓度为25％(w/w)的氨水为溶液B；

3)在磁力搅拌条件下，将溶液A和溶液B同时滴定，控制pH在9.0～10.0之间，室温搅拌反应12h，之后在75℃条件下老化24h，所得浆液在10000rpm转速下离心10min，依次用DMF、无水乙醇和去离子水分别洗涤2次，60℃真空下干燥12小时，得到LDH。

对比例2：

按照实施2中步骤1)～3)的方法和条件，制备得到前驱体小粒径超薄类水滑石纳米片，记为LDH-M。

对比例3：

将实施例2所得的样品LDH_b在去离子水中搅拌反应2小时，得到恢复的层状双金属氢氧化物，记为LDH_r。

图1是实施例2、对比例1～3所得样品的XRD结果图。图中LDH、LDH-M和LDH_r三个样品均在低2θ处出现了类水滑石003、006、和009晶面三个特征衍射峰，其中LDH-M和LDH_r与LDH样品特征峰相比，其峰宽明显变宽，强度明显变弱，说明采用本发明所述的双微乳液共沉淀法方法制备的前驱体LDH纳米片结晶度较低，由双金属氧化物水合恢复后其结晶度变低。三个样品的d₀₀₃值在0.78～0.80nm之间，与Cl-LDH相当，它们的晶胞参数a和b(a＝b＝2d₁₁₀)约为与文献值一致。衍射峰的宽度和强度很好地反映着样品的结晶度。在高2θ处三个样品也都出现了110和113衍射峰，但很明显LDH-M和LDH_r与LDH样品特征峰相比，110和113衍射峰不但重叠，而且强度变弱、峰宽变宽了，说明采用本发明所述的双微乳液共沉淀法方法制备的前驱体LDH纳米片和由双金属氧化物水合恢复所得的LDH结晶度均较低，而且片层很薄。当LDH-M经500℃煅烧5小时后生成了层状双金属氧化物，XRD显示原有的片层结构坍塌，结合的氢氧根和层间的水分子失去，同时出现了新的氧化物相的衍射峰。

图2为实施例2、对比例1和2所得样品的N₂吸附脱附等温线和孔径分布图。吸附等温线显示所有样品均为带有H3-型滞回曲线(P/P₀>0.4)的典型的IV等温线，表明为介孔材料。其中LDH-M样品的比表面积为140.83m²/g，高于传统共沉淀法制备的LDH样品(53.28m²/g)，说明无表面活性剂微乳液共沉淀法可以制备比表面积大的层状双金属氢氧化物超薄纳米片。而其煅烧产物LDO_b由于失去了原有类水滑石的片层结构，比表面积有所减小，为113.05m²/g，但还是远高于传统共沉淀法制备的LDH样品。LDH-M和LDO_b的孔径分别为3.83和10.94nm，远小于传统共沉淀法制备的LDH样品(21.87nm)，这说明前两个样品缺少有序的片层结构，具体结果见表1。

表1：LDH纳米片的BET比表面和孔径结果.

图3为实施例2、对比例1～3所得样品的扫描电镜照片。电镜照片显示：传统共沉淀法制备的LDH样品具有明显层状结构，颗粒较大且聚集明显。而采用本发明所述无表面活性剂微乳液共沉淀法制备的前驱体LDH-M粒径较小，且因片层薄而呈现弯曲均匀分散。而其煅烧产物LDO_b由于类水滑石的片层结构坍塌，呈现出了以小颗粒存在无定形结构。当LDO_b在水介质中恢复后，由于LDH的“记忆效应”，LDH_r又出现了类水滑石的片层结构，而且仍然具有良好的分散性，但是它的片层变大了，而且片层也变厚了，这是因为在此过程中没有微乳液体系中“小水池”的限域作用，类水滑石纳米片可以自由生长。

图4为对比例3所得样品的原子力显微镜照片(a)和a图中沿红色直线的横断面分析(b)。原子力显微镜照片显示所制备的煅烧产物LDO_b经水中恢复后，呈现了明显的聚集，虽然红色直线的横断面分析结果显示，其粒径大小在20～60nm之间，厚度约为0.96～3.22nm，但可以清楚看到其他区域有呈现了明显聚集，其粒径和厚度应当更大，这与扫描电镜结果相一致。

实施例5应用效果试验例

试验对象：实施例1-5制得的产品，对比例1所得产品；

试验目的：考察本发明实施例1-5制得的产品和对比例1所得LDH对水体中低浓度磷酸根的吸附性能。

试验分组：

试验1组：实施例1制得的产品LDO_a；

试验2组：实施例2制得的产品LDO_b；

试验3组：实施例3制得的产品LDO_c；

试验4组：实施例4制得的产品LDO_d；

试验5组：实施例5制得的产品LDO_e；

对比试验组：对比例1和2制得的产品LDH和LDH-M。

试验方法：

将本发明试验对象各50mg分别加入到50mL、浓度为2mg/L的磷酸二氢钾水溶液中，搅拌反应5小时。每组试验重复六次，测量其处理后浓度，并测定其去除率，取平均值，其中去除率的计算公式如下：

试验结果：

表2：本发明产品和对比样品对水体中低浓度磷酸根的吸附试验结果

组别对比组对比组试验1组试验2组试验3组试验4组试验5组试验产品LDHLDH-MLDO_aLDO_bLDO_cLDO_dLDO_e去除率(％)55.3370.12^*92.3^*#92.6^*#90.8^*#91.8^*#91.4^*#

备注：^*与对比组LDH相比较，P<0.05；^#与对比组LDH-M相比较，P<0.05。

小结：通过表2的试验结果可以看出：

结果表明：在加入相同质量吸附剂条件下，本发明各实验组(试验1、2、3、4和5组)与对比组LDH和LDH-M相比，它们对水体中低浓度磷酸根的吸附去除率都具有显著性差异，可见本发明所得层状双金属氧化物吸附剂LDO对水体中低浓度磷酸根的吸附去除效果明显优于小粒径超薄LDH纳米片和传统共沉淀法制备的大颗粒类水滑石，这主要是因为本发明所得的层状双金属氧化物吸附剂LDO除了利用大的比表面积吸附，而且在结构重建形成LDO时，磷酸根参与了类水滑石的重建，因此它们与小粒径超薄LDH纳米片以及传统共沉淀法制备的大颗粒类水滑石相比，取得了意料不到的技术效果。