磁性复合材料对染料吸附性能的研究

唐先龙，杨桂宝

（安徽国星生物化学有限公司，安徽马鞍山243100）

磁性复合材料对染料吸附性能的研究

唐先龙，杨桂宝

（安徽国星生物化学有限公司，安徽马鞍山243100）

采用两性聚合物对钠基蒙脱土进行有机化改性，通过共沉淀法制备了Fe3O4/MMT剥离型磁性复合材料，对阳离子染料进行吸附性能的研究，显示出对阳离子染料的高效吸附效率。随着染料溶液初始浓度的增大，Fe3O4/MMT复合材料的吸附容量也随之增大。Fe3O4/MMT复合材料吸附再生性能优异，可多次循环吸附，而吸附效率未明显下降。

磁性复合材料；染料；吸附

随着现代工农业的发展，大量有毒有害物质进入水体，人类赖以生存的水环境遭到严重破坏。由于我国水资源相对匮乏，废水处理技术的作用也越来越重要。有机染料废水具有浓度高、色度深、水质变化波动大以及可生化性差等特征，是很难处理的一类工业废水。阳离子染料含有很复杂的芳香基团而难以生物降解脱色，因此它的处理格外受到重视。

Wu等[1]合成出GO-Fe3O4磁性纳米复合材料，显示出优异的吸附性能，磁性纳米材料在水污染处理中有重要的研究价值。Wang等[2]采用共沉淀法制备出GO/Fe3O4磁性纳米复合材料，并对水中有机染料进行吸附实验，获得了理想的实验结果。其他如Deng[3]、Ranjithkumar[4]等也进行了相关研究。

本文通过DMC-MAA两性共聚物对蒙脱土（MMT）进行有机化改性，使得MMT表面连接上大量羧基，再采用共沉淀法制备MMT/Fe3O4磁性纳米复合材料，用其对水中阳离子染料进行吸附性能的研究。

1 实验部分

1.1 Fe3O4/MMT纳米复合材料的合成

取0.232g DMC-MAA-MMT分散于水中，加入0.269g FeCl3·6H2O和0.185g FeSO4·7H2O，通N2搅拌，30 min后加氨水溶液（体系的pH值约为10～11），在80℃的水浴加热环境中机械搅拌2h。反应结束后，冷却，收集反应产物，进行过滤、洗涤和干燥，研磨分散后即得到磁性剥离型蒙脱土纳米复合材料。

1.2 Fe3O4/MMT复合材料对罗丹明B的吸附实验

用罗丹明B配制1000mg/L的罗丹明B溶液250 mL备用，然后用蒸馏水稀释，配制不同浓度的罗丹明B溶液。移取10 mL 50mg/L罗丹明B溶液至锥形瓶，加入0.010 g Fe3O4/MMT粉末，将锥形瓶置于恒温水浴振荡器进行吸附实验，振荡器转速200rpm，反应时间6h。在540 nm处，用UV3600型紫外可见光谱仪（日本岛津公司）测试罗丹明B溶液的浓度。

1.3 Fe3O4/MMT的表征与测试

红外光谱（FT-IR）图由Nicolet 6700型红外光谱分析仪，经KBr（Uvasol，Merck）压片法对Fe3O4和Fe3O4/MMT纳米复合材料粉末压片，在400～4000cm-1范围内进行测量。X-射线衍射谱（XRD）由日本Rigaku D/max 2500 pc X-射线衍射分析仪测得，测试条件为：CuKα射线源，管电压40kV，管电流40mA，扫描速度为1.0°/min，步长为0.02°。

2 结果与讨论

2.1 改性蒙脱土的表征

为确定对Na+-MMT的表面改性是否成功进行，分别对Na+-MMT和DMC-MAA-MMT进行FT-IR和XRD分析（见图1、图2）。从图1可知，在1040cm-1、467cm-1和521cm-1处的吸收峰为MMT的特征峰，它们分别对应Si-O键的伸缩振动和Si-O键及Al-O键的弯曲振动，Na+-MMT、DMC-MAA-MMT的FT-IR谱图上均有这些峰的存在。在1716 cm-1的吸收峰对应的是C=O键的伸缩振动，该吸收峰仅存在于DMC-MAA-MMT的FT-IR谱图上，这说明两性聚合物DMC-MAA成功对蒙脱土进行改性。图2为Na+-MMT和DMC-MAA-MMT的XRD图，MMT的层间距根据布拉格方程2dsinθ=nλ计算得出，经改性后的MMT的层间距从1. 32 nm增加到1.53 nm，这表明DMC-MAA成功插入到了粘土层间。

2.2 Fe3O4/MMT复合材料的表征

分别对磁性材料Fe3O4和制备所得Fe3O4/MMT进行FT-IR和XRD分析（见图3、图4、图5）。Fe3O4和Fe3O4/MMT的红外光谱如图3所示。在3400cm-1左右均出现了吸收峰，这是来自DMC-MAA-MMT和Fe3O4表面的-OH基团伸缩振动以及在测试过程中溴化钾吸水而引起的。Fe3O4的特征吸收峰为1600cm-1、579cm-1，分别对应的是H-O-H弯曲振动和Fe-O的伸缩振动。但在476cm-1只有在Fe3O4/MMT出现，该峰为Si-O键的弯曲振动，因此表明成功合成了磁性纳米复合材料Fe3O4/MMT。

图1 Fe3O4（a）和Fe3O4/MMT（b）的FT-IR图

图2 Na+-MMT（a）和DMC-MAA-MMT（b）的XRD图

图3 Fe3O4（a）和Fe3O4/MMT（b）的FT-IR图

由图4可以看出，Fe3O4/MMT复合材料的1°～10° XRD图上没有衍射峰存在，表明在这一衍射角区域内没有d001衍射峰，实验制备得到了剥离型的Fe3O4/MMT复合材料。图5为Fe3O4和Fe3O4/MMT复合物的广角XRD图，可以看出，Fe3O4和Fe3O4/MMT各个衍射峰的位置和形状。Fe3O4的2θ=30.2°，35.55°，43.25°，53.3°，57.2°，63°与标准JCPDS卡相吻合[5]。所制备的Fe3O4/MMT复合物与Fe3O4相比，其特征衍射峰位置多出了2θ=19.8°和26.7°，是实验中制备的DMC-MAA-MMT的衍射峰，即表明实验制备了Fe3O4/MMT复合物。

2.3 Fe3O4/MMT复合材料对罗丹明B的吸附性能研究

2.3.1 平衡时间对吸附性能的影响

吸附时间t对Fe3O4/MMT复合材料吸附罗丹明B的性能影响如图6所示。在开始的120min（吸附容量为42.32mg/g）内吸附罗丹明B的速率较快，随后在360min（吸附容量为42.68mg/g）内以较慢的速度达到平衡。初始快速吸附可能归因于吸附剂大量可供罗丹明B分子的吸附位点，吸附在后期阶段减慢是因为吸附点饱和致其余的空置表面位点难以被占据[6]。Fe3O4对罗丹明B几乎无吸附能力。纯土与Fe3O4/MMT趋势基本一致，都是开始吸附量迅速增加，然后随时间推移逐渐趋于平缓。当达到吸附平衡时，MMT与Fe3O4/MMT吸附量相差不多，但在磁性复合材料合成中，Fe3O4与MMT的质量比为1∶1，所以Fe3O4/MMT中MMT的吸附性能更好，表明Fe3O4/MMT复合材料中，Fe3O4成功插入MMT片层中，使其层间距变大，从而防止了集聚，提供更多的吸附位点。

2.3.2 吸附再生实验

对Fe3O4/MMT复合材料进行吸附再生实验研究，并进行4个循环的实验，结果如图7所示。第一个循环罗丹明B去除率为91%，第二循环去除率为87%，第三循环和第四循环去除率均为85%。结果表明Fe3O4/MMT复合材料可循环利用多次而吸附效率无显著降低，表现出Fe3O4/MMT复合材料可重复再生使用的优异性能。

3 结论

图4 Fe3O4/MMT的XRD图

图5 MMT（a）；Fe3O4（b）和Fe3O4/MMT（c）的XRD图

图6 吸附时间与罗丹明B去除量关系

图7 吸附再生循环

（1）采用两性聚合物对钠基蒙脱土进行有机化改性，通过共沉淀法制备了Fe3O4/MMT剥离型磁性复合材料，对阳离子染料进行吸附性能的研究，显示出对阳离子染料的高效吸附效率。

（2）随着染料溶液初始浓度的增大，Fe3O4/MMT复合材料的吸附容量也随之增大。

（3）Fe3O4/MMT复合材料吸附再生性能优异，可多次循环吸附，而吸附效率未明显下降。

[1]Wu Q H，Zhao G Y.et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the extraction of carbamate pesticides from environmental water samples[J].Journal of Chromatography A，2011，1218：7936-7942.

[2]Wang C，Feng C.，et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of anorganic dye from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，173：92-97.

[3]Deng J H，Zhang X R.，et al.Simultaneous removal of Cd（II）and ionic dyes from aqueous solutionusing magnetic graphene oxide nanocomposite as an adsorbent[J].Chemical Engineering Journal，2013，226：189-200.

[4]Ranjithkuma.V，Sangeetha.S，Vairam.S.Synthesis of magnetic activated carbon/α-Fe2O3nanocomposite and its application in the removal of acid yellow 17 dye from water[J].Journal of Hazardous Materials，2014，273：127-135.

[5]Wang C，Feng C.，et al.Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution[J].Chemical Engineering Journal，2011，173：92-97.

[6]Tabrez A.Khan，Sarita.Dahiya，Imran.Ali.Use of kaolinite as adsorbent：Equilibrium，dynamics and thermodynamic studies on the adsorption of Rhodamine B from aqueous solution[J].Applied Clay Science，2012，69：58-66.□

The Research of Dye Adsorption Property based on Magnetic Composite Materials

TANG Xian-long，YANG Gui-bao
（Anhui Guoxing Biochemical Co.，Ltd.，Ma'anshan 243100，China）

The organic modification of Na-montmorillonite based on amphoteric polymers has been completed，and the exfoliated magnetic composites of Fe3O4/MMT has been prepared by co-precipitation method as well.According to the research result of dye adsorption property based on the cationic dye，whose high adsorption efficiency has been displayed. Along with the initial concentration of the dye solution is increased，the adsorption capacity of Fe3O4/MMT also increased. Studies have shown that Fe3O4/MMT had excellent adsorbent regeneration performance，and the adsorption efficiency did not decrease apparently by multiple recycles.

exfoliated magnetic composites；cationic dye；adsorption

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.013

TB383

A

1008-553X（2016）01-0051-04

2015-09-14

唐先龙（1984-），男，助理工程师，从事污水处理工作，0555-6755828，18055593550，18955508345@163.com；通讯联系人：杨桂宝（1979-），男，中专，从事化工机械管理工作，0555-6755829。