Fe(III)‑Salen功能化纳米Fe3O4 复合材料、制备方法及其应用

摘要

本发明公开一种Fe(III)‑Salen功能化纳米Fe3O4复合材料、制备方法和应用，制备步骤为：先采用溶剂热制备氨基功能化纳米Fe3O4磁性复合材料(NH2‑nFe3O4),然后与含邻羟基取代苯甲醛缩合得到Salen功能化纳米Fe3O4(nFe3O4@Salen)、进一步与Fe(III)配位得到nFe3O4@Fe(III)Salen复合材料。本发明方法获得的产品呈粉末状，棕褐色，粒度分布均匀，性质稳定。溶剂热制备NH2‑nFe3O4克服了磁性材料溶液团聚的缺点，所得材料分散性好、磁性能高；采用氨基与含邻羟基取代苯甲醛缩合的得到Salen的反应快速、原料易得、产率高；材料富含氨基、羟基等官能团；拥有Fe(III)活性中心，使得类Fenton体系的固载到磁性Fe3O4材料上，具有广泛的pH适用范围，实现了材料的催化与磁性双重功能，有利于催化剂的分离回收。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料、制备方法及其应用技术，具体为Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料及其制备方法，以及利用本发明Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料为催化剂降解水中氯酚、塑化剂等新型环境污染物等，实现环境保护等目的。

背景技术

氯酚类化合物、邻苯二甲酸酯类化合物和重金属等持久性环境污染物，广泛用于工农业生产。痕量的这些新型环境污染物会在水体、土壤、动植物中富集，在环境中难以降解，对人体的内分泌系统造成干扰，直接影响人体的新陈代谢，甚至会具有较强的生物蓄积毒性、“三致”的效应和遗传毒性,对人类健康造成巨大威胁。如何去除和降解这些新型环境污染物是近年来的研究重点和难点之一。

目前处理这些污染物的方法有：物理化学法、化学还原法、化学氧化法和生物处理法等。然而，由于这些污染物结构稳定，传统工艺和生物作用不能对其达到较好的去除效果,如:张佳丽等(复合材料学报,2015,4:1201-1210.)报道了分子印迹氨基功能化磁性复合材料利用吸附法去除海水中的2,4,6-TCP,孙亚锡等(水处理技术,2007,33(12):42-45.)通过膜生物反应器去除水中微量2,4,6-TCP，浙江大学宁波理工学院发明的《海水中痕量氯酚类污染物分子印迹磁性富集材料的磁场诱导制备方法》(中国发明专利:201410343192.6)和《一种能去除白酒中塑化剂的复合吸附材料的制备方法》(中国发明专利:201410063398.3)等均只能将环境中的氯酚类或邻苯二甲酸酯类新型环境污染物从水相转移至另一相,并没有彻底降解污染物,容易造成二次污染。高级氧化(AOP)技术中的化学氧化法和光降解法等是去除环境污染物的有效方法。Fenton氧化技术以AOP为主体,利用Fe²⁺-H₂O₂有效产生·OH,具有操作简单、成本低廉和高效等优点。但该体系中的H₂O₂利用率低,一般需要在pH<3的强酸性条件下进行,反应后由于pH值升高会产生大量铁泥沉淀,易造成二次污染,因而限制了其应用。以过渡金属络合物取代简单的单一Fe²⁺/Fe³⁺催化剂,不仅克服了溶液酸度要求高的缺点,还呈现出仿生反应的一些特性。例如：Zhao等(Journal>2O₂,中性条件下实现有机污染物橙红II和2,4-二氯苯酚的有效降解,TON分别达到200和1000。Coilins等(Accounts>2O₂,实现三氯苯酚和五氯苯酚的快速氧化,TAML有很高的转化数,显示出优越的光催化活性,但遗憾的是TAML本身不稳定,也容易被氧化分解,且催化剂的再生与分离仍然是需要克服的一大挑战。磁性复合材料因其制备方法多样,具有结构、功能的可调控性和可剪裁性,在材料、化学、医学、生物和环境工程等领域有着广泛的应用前景。若能将类Fenton体系的固载到磁性复合材料可望实现其催化与磁性双重功能,有利于催化剂的分离回收。无疑在资源再生与回收利用、环境保护等方面具有重要而积极的意义。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种兼具磁性与催化双重性能的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料，该材料的原料包含制备氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料(NH₂-nFe₃O₄)的三价铁和有机胺，制备Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Salen)的含邻羟基取代的苯甲醛，制备Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的Fe(III)的醇溶液。

本发明还提供一种上述Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的制备方法，具体包括：先采用溶剂热法制备氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料(NH₂-nFe₃O₄),然后与含邻羟基取代的苯甲醛缩合制备Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Salen)，进一步与Fe(III)配位制备Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料即nFe₃O₄@Fe(III)Salen复合材料。

本发明上述制备氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料，具体的为：将三价铁和醋酸盐溶于乙二醇中；然后加入有机胺搅拌至反应液中形成稳定的橘黄色溶液；将反应液转移至反应釜中反应；冷却后磁分离洗涤至pH值为7，真空干燥即得氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料(NH₂-nFe₃O₄)。

上述的三价铁和醋酸盐在乙二醇中的质量浓度分别为10～300g/L和20～300g/L，且三价铁和醋酸盐的质量比为1:1～1:10，；在室温下搅拌5～30min；然后加入有机胺，使之在混合溶液中的体积分数为4％～200％，优选为10％～80％；反应液在反应釜中100～240℃反应2～24h。

上述的三价铁和醋酸盐的质量比优选为1:1～1:5。

上述的三价铁在乙二醇中的质量浓度优选为20～200g/L，上述的醋酸盐在乙二醇中的质量浓度优选为40～180g/L，且三价铁和醋酸盐的质量比为1:1～1:5。

上述的反应温度优选为150～200℃，反应时间优选10～20h。

本发明上述的制备Salen功能化纳米Fe₃O₄，具体的为：称取氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料，将其超声分散到醇溶液中，搅拌下滴加含邻羟基取代的苯甲醛，搅拌反应后冷却进行磁分离，洗涤至pH值为7，真空干燥即得Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Salen)。

上述NH₂-nFe₃O₄与醇溶液的固液比为10～200g/L(即每1L的醇溶液对应10～200g的NH₂-nFe₃O₄)；搅拌下滴加含邻羟基取代的苯甲醛，使之在上述醇溶液中的质量分数为5～400g/L，优选为50～250g/L；在10-80℃搅拌反应0.5-10h。

上述NH₂-nFe₃O₄与醇溶液的固液比优选为10～100g/L。

上述的含邻羟基取代的苯甲醛可以为水杨醛、4-羟基水杨醛、3-甲基-4-羟基水杨醛、4-甲氧基水杨醛、4,6-二甲氧基水杨醛、3-硝基水杨醛、5-硝基水杨醛等中的一种或两种以上。

本发明上述制备Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料，具体的为：称取nFe₃O₄@Salen，将其超声分散到醇溶液中，搅拌下滴加Fe(III)的醇溶液；滴加完成后搅拌反应，冷却后磁分离，洗涤至无游离Fe(III)检出，真空干燥即得Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Fe(III)Salen)复合材料。

上述的nFe₃O₄@Salen与醇溶液的固液比为1～100g/L(即每1L的醇溶液对应1～100g的nFe₃O4@Salen)；上述Fe(III)在醇溶液中的质量分数为0.5～10g/L，(最终Fe(III)在醇溶液中的浓度为0.5～10g/L)；在20-80℃搅拌反应0.5-10h。

优选的，上述的nFe3O4@Salen与醇溶液的固液比为10～80g/L。

本发明所述的三价铁为三氯化铁或硫酸铁中的一种。

本发明所述的Fe(III)在醇溶液中的质量分数优选为1～8g/L，反应温度优选为20-60℃；反应时间优选为2-8h。

本发明所述的醋酸盐为醋酸钠、醋酸钾或醋酸铵中的一种。

本发明所述的有机胺为乙二胺、二乙三胺、三乙四胺、四乙五胺中一种。

本发明的超声分散为：超声功率200-500w，时间为1-10s，超声次数为1-5次。

作为优选，本发明步骤的超声功率优选为250-400w，时间优选为2-4s，超声次数优选为2-4次。

本发明的醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇中的一种。

本发明还提供一种Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料在催化降解污染物中的应用，具体的可以用于水中持久性有机污染物和重金属的降解。

根据本发明优选，所述Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的应用，用于水中持久性有机污染物氯酚、邻苯二甲酸酯等和重金属Cr(VI)、Hg(II)等的降解。

本发明具体的催化降解方法如下：

在室温振荡条件下，投入本发明的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料，投加量为每升废水中催化剂用量为0.2～5g，溶液pH值为3.0～9.0；30％的H₂O₂>

1.本发明通过采用溶剂热制备氨基功能化纳米Fe₃O₄磁性复合材料(NH₂-nFe₃O₄)，然后与含邻羟基取代苯甲醛缩合得到Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Salen)、进一步与Fe(III)配位得到nFe₃O₄@Fe(III)Salen复合材料。实验证明：该发明操作步骤简单，成本低廉，得到的复合材料粒度分布均匀，性质稳定。本发明方法获得的产品呈粉末状，棕褐色，溶剂热制备NH₂-nFe₃O₄克服了磁性材料溶液团聚的缺点，所得材料分散性好、磁性能高；采用氨基与含邻羟基取代苯甲醛缩合的得到Salen的反应快速、原料易得、产率高；材料富含氨基、羟基等官能团；拥有Fe(III)活性中心，使得类Fenton体系的固载到磁性Fe₃O₄材料上，具有广泛的pH适用范围，实现了材料的催化与磁性双重功能，有利于催化剂的分离回收。

2.本发明的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料，采用的原料价格低易于获得,容易纯化，且对多种环境中持久性污染物有高的催化降解活性，具有高级氧化降解环境污染物的功能，是有效降解这些污染物的潜在催化剂；本发明具有制备方法简单，成本低廉，所得材料价廉易得、环境友好、可以实现环境保护的目的。

附图说明

图1是本发明的生Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料制备流程示意图。

图2是根据本发明实施例，得到的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的透射电镜(TEM)照片。

图3是根据本发明实施例，Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的红外光谱图(FTIR)。

图4是本发明实施例，得到的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的X-射线衍射图谱(XRD)。

图5是本发明实施例，得到的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的磁化曲线(VSM)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的内容做进一步说明，使本发明的目的和效果更加明显，但本发明不仅仅局限于以下实施例。本发明制备工艺流程图如图1所示，具体步骤参照各实施例。

实施例1

分别称取FeCl₃·6H₂O和无水醋酸钠溶于乙二醇中,室温下搅拌10min.然后加入乙二胺,搅拌至形成稳定的橘黄色溶液。将反应液转移至反应釜中,180℃反应8h.冷却后磁分离,用去离子水和乙醇洗涤各3次,至pH值为7,60℃真空干燥12h,即得NH₂-nFe₃O₄。

以甲醇为溶剂,加入NH₂-nFe₃O₄,超声分散,搅拌下滴加水杨醛,室温下反应2h,磁分离,先后用去离子水和乙醇洗涤3次,至pH值为7,60℃真空干燥12h,得到Salen功能化纳米Fe₃O₄(nFe₃O₄@Salen)。

将nFe₃O₄@Salen加入到的甲醇溶液中,超声分散,搅拌下缓慢滴加含有FeCl₃·6H₂O的的甲醇溶液,两次的甲醇溶液体积相等；在70℃冷凝回流5h，磁分离(行业常规磁分离技术),用去离子水和无水乙醇洗涤至无游离Fe(III)检出；其中Fe(III)采用原子吸收光谱法(AAS)测定；60℃真空干燥12h,得到Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料(nFe₃O₄@Fe(III)Salen)。

实施例2～6的操作步骤同实施例1，原料物质、原料配方及制备条件参数见表1所示。

表1本发明实施例1～6原料组分及制备参数

将本发明实施例制备的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料通过透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)和振动样品磁强计(VSM)等手段对其进行表征，并应用于对水中2,4,6-三氯苯酚、邻苯二甲酸二丁酯、Cr(VI)和Hg(II)的降解。

图2～图5分别是根据本发明实施例1得到的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料的透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)；X-射线衍射图谱(XRD)和磁化曲线(VSM)。

由图2可知，Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料为典型的壳核结构,平均粒径约为200nm。

从图3样品的红外光谱可以看出，～584cm^-1为NH₂-Fe₃O₄的Fe—O键特征吸收峰；～3380cm^-1可归属为—OH的伸缩振动吸收峰；～2920、～2860cm^-1可归属为—CH₂—、—CH₃的伸缩振动吸收峰；～1630、～1550cm^-1可归属为—NH₂和—NH—的伸缩振动吸收峰.～1060cm^-1可归属氨基的C-N伸缩振动吸收峰。与水杨醛形成亚胺后的nFe₃O₄@Salen在～1550cm^-1处的吸收峰消失,～1060cm^-1处的吸收峰减弱并位移至～1040cm^-1,说明NH₂-Fe₃O₄表面的氨基与水杨醛缩合形成了亚胺；同时在～1480,～1450，～1230cm^-1出现了新的吸收峰,可以归属形成nFe₃O₄@Salen后的亚胺(～1480cm^-1),苯环(～1450cm^-1)和酚羟基(～1250cm^-1)的吸收峰；nFe₃O₄@Salen进一步与Fe(III)形成nFe₃O₄@Fe(III)Salen后,～1480cm^-1处的吸收峰消失,～1230cm^-1处的吸收峰减弱并位移至～1250cm^-1,～1040cm^-1处的吸收峰位移至～1030cm^-1,说明Fe(III)与nFe₃O₄@Salen中Salen配位,形成异相催化剂。

从图3样品的XRD可知，NH₂-nFe₃O₄,nFe₃O₄@Salen和nFe₃O₄@Fe(III)Salen三者均出现了Fe₃O₄的6个典型的、2θ角位于30.1°(220)、35.5°(311)、43.1°(400)、53.4°(422)、57.0°(511)和62.6°(440)的衍射峰。可见在nFe₃O₄@Fe(III)Salen合成过程中晶相没有发生变化,保持了Fe₃O₄的尖晶石结构。nFe₃O₄@Fe(III)Salen的衍射峰较纯的Fe₃O₄有较宽的峰宽表明nFe₃O₄@Fe(III)Salen具有较小的尺度。

从图4样品的VSM可知，本发明制得的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料饱和磁化强度约为24.8emu/g，说明nFe₃O₄@Fe(III)Salen磁响应良好,能够在磁场下实现良好的分离。

下面是实施例1的对水中2,4,6-三氯苯酚、邻苯二甲酸二丁酯、Cr(VI)和Hg(II)的降解应用例。

应用例1：

将实施例1所得Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料应用于水中2,4,6-三氯苯酚催化降解。取一系列25.00mL浓度分别为0.5—200mg/L的2,4,6-TCP溶液,调节溶液pH值为3.0—9.0,分别加入0.02g本发明的nFe₃O₄@Fe(III)Salen,30％的H₂O₂>2SO₃中止反应；为了排除是由于吸附作用使2,4,6-TCP在溶液中的剩余浓度减小的因素,以1％NaOH甲醇溶液脱附降解后的nFe₃O₄@Fe(III)Salen；采用液相色谱分别测定催化后溶液和脱附液中的2,4,6-TCP的剩余浓度C_e。计算降解率。发现在pH值4.0—7.0范围内,nFe₃O₄@Fe(III)Salen/H₂O₂/可见光体系在5min内近100％降解TCP,较普通Fenton反应体系有更宽的pH适用范围。nFe₃O₄@Fe(III)Salen的用量为0.8-4.0g/L,H₂O₂的浓度为8.16mmol/L,TCP浓度<253.2μmol/L(50mg/L)时,TCP降解率可均达99％以上。nFe₃O₄@Fe(III)Salen经5次循环使用后对TCP的降解率仍能保持95％以上,是性能优良的催化剂。

应用例2：

将实施例3所得Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料应用于水中邻苯二甲酸二丁酯(DBP)催化降解。取一系列25.00mL浓度分别为10—500mg/L的DBP溶液,调节溶液pH值为3.0—9.0,分别加入0.02g本发明的nFe₃O₄@Fe(III)Salen,30％的H₂O₂1—100μL,35℃,150r/min摇床振荡；每隔1min取样,在所取样品中加入1滴10％Na₂SO₃中止反应；为了排除是由于吸附作用使DBP在溶液中的剩余浓度减小的因素,以甲醇溶液脱附降解后的nFe₃O₄@Fe(III)Salen；采用液相色谱分别测定催化后溶液和脱附液中的DBP的剩余浓度C_e。计算降解率。发现在pH值3.0—8.0范围内,nFe₃O₄@Fe(III)Salen/H₂O₂/可见光体系在10min内近100％降解DBP,较普通Fenton反应体系有更宽的pH适用范围。nFe₃O₄@Fe(III)Salen的用量为0.5-5.0g/L,H₂O₂的浓度为0.408—40.8mmol/L,浓度为<143.88μmol/L的DBP降解率可实现均近100％降解。nFe₃O₄@Fe(III)Salen经5次循环使用后对DBP的降解率仍能保持95％以上,是性能优良的催化剂。

应用例3：

将实施例4所得Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料应用于水中Cr(VI)催化降解。取一系列25.00mL浓度分别为10—1000mg/L的Cr(VI)溶液,调节溶液pH值为1.5—10,分别加入0.02g本发明的nFe₃O₄@Fe(III)Salen,30％的H₂O₂>2SO₃中止反应；为了排除是由于吸附作用使Cr(VI)在溶液中的剩余浓度减小的因素,以NaOH溶液脱附降解后的nFe₃O₄@Fe(III)Salen；采用二苯碳酰二肼(DPCI)分光光度法在540nm下分别测定催化后溶液和脱附液中的Cr(VI)的剩余浓度C_e。计算降解率。发现在pH值2.0—5.0范围内,nFe₃O₄@Fe(III)Salen/H₂O₂/可见光体系在10min内近100％降解Cr(VI),较普通Fenton反应体系有更宽的pH适用范围。nFe₃O₄@Fe(III)Salen的用量为0.2-5.0g/L,H₂O₂的浓度为0.408—40.8mmol/L,浓度为<150mg/L的Cr(VI)降解率可实现均近100％降解。nFe₃O₄@Fe(III)Salen经5次循环使用后对Cr(VI)的降解率仍能保持95％以上,是性能优良的催化剂。

应用例4：

将实施例6所得Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料应用于水中Hg(II)催化降解。取一系列25.00mL浓度分别为10—500mg/L的(II))溶液,调节溶液pH值为1.5—10,分别加入0.02g本发明的nFe₃O₄@Fe(III)Salen,30％的H₂O₂>2SO₃中止反应；为了排除是由于吸附作用使Hg(II)在溶液中的剩余浓度减小的因素,以NaOH溶液脱附降解后的nFe₃O₄@Fe(III)Salen；采用原子荧光法分别测定催化后溶液和脱附液中的Hg(II)的剩余浓度C_e。计算降解率。发现在pH值2.0—5.0范围内,nFe₃O₄@Fe(III)Salen/H₂O₂/可见光体系在10min内近100％降解Hg(II)，较普通Fenton反应体系有更宽的pH适用范围。nFe₃O₄@Fe(III)Salen的用量为0.2-5.0g/L,H₂O₂的浓度为0.408—40.8mmol/L,浓度为<100mg/L的Hg(II)降解率可实现均近100％降解。nFe₃O₄@Fe(III)Salen经5次循环使用后对Hg(II)的降解率仍能保持95％以上,是性能优良的催化剂。

本发明所述Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料，通过实验证明：该发明操作步骤简单，成本低廉，得到的Fe(III)-Salen功能化纳米Fe₃O₄复合材料具有球形结构；富含氨基、羟基等官能团，性质稳定，又有利于在外磁场下实现磁分离；对水中氯酚、邻苯二甲酸酯、重金属Cr(VI)、Hg(II)等环境持久性污染物的有优良的催化降解效果，是潜在的优质催化剂。