Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料的制備及其氨氮吸附性能

萬秋月，杜康婷，蘇鵬鑫，霍婷婷，2，劉孟清，張津語

（1. 西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2. 固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010）

隨著工農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，越來越多未經(jīng)處理的含氮廢水直接排入河道、湖泊甚至海洋，促使水中藻類及其他微生物大量繁殖，導(dǎo)致水中溶解氧下降，加劇了水體富營養(yǎng)化進(jìn)程，并危害人類生存及健康［1-5］。因此，如何去除廢水中的氨氮，已成為亟待解決的問題。目前，處理氨氮廢水的主要方法有物化法和生物法兩大類。物化法包括氧化法、空氣吹出法、膜處理法、折點(diǎn)氯化法、化學(xué)沉淀法及選擇性離子交換法等［6-11］。其中：折點(diǎn)氯化法處理效率高，效果穩(wěn)定，不受溫度影響，但氯費(fèi)用較高，只適用于處理低濃度氨氮廢水［12-13］；化學(xué)沉淀法反應(yīng)速率快，但沉淀劑價(jià)格昂貴且可能引入二次污染［14-15］；膜析法處理效果佳，但高濃度氨氮易造成膜堵塞，費(fèi)用較高［16-17］。而生物法可去除多種含氮化合物，二次污染小且比較經(jīng)濟(jì)，但其工藝占地面積大，對碳源要求高，低溫時(shí)去除效率較低［18-19］。

為了克服上述問題，引入吸附能力強(qiáng)、可回收的工程納米材料被認(rèn)為是一個(gè)很有前途的解決方案。磁性納米材料因其體積小、比表面積大、活性中心多、易分離等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于重金屬吸附等研究，逐漸成為新一代環(huán)境污染控制材料［20-27］。相對于傳統(tǒng)吸附劑而言，有序的介孔材料具有高比表面積、可控的介觀結(jié)構(gòu)、均一可調(diào)的大孔徑等特性，被認(rèn)定為新一代優(yōu)良吸附劑。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）的定義，微孔孔徑為小于2 nm，介孔孔徑為2～50 nm［28-29］。但目前關(guān)于介孔磁性納米材料吸附處理氨氮的研究還鮮有報(bào)道。

本工作制備了Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料，運(yùn)用多種手段對其進(jìn)行了表征，探討了廢水pH、初始氨氮濃度、吸附時(shí)間和吸附劑用量等環(huán)境條件對氨氮吸附的影響，并對其吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行了研究，以評價(jià)該材料吸附和去除水中氨氮的潛力，探索有效去除水體中氨氮的高效便捷方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

可見光分光光度計(jì)（722s型，上海棱光技術(shù)有限公司）；實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)（PHSJ-3F型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；掃描電子顯微鏡（S4800型，日本日立公司）、傅里葉變換紅外光譜儀（Magna 550II型，美國Nicolet公司）；X射線衍射儀（XRD-6000型，日本島津公司）、場發(fā)射透射電子顯微鏡（Tecnai G2 F20/F30型，美國FEI公司）；振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（BKT-4500Z型，北京澤天偉業(yè)科技有限公司）；比表面及孔徑分析儀（JW-BK112，北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司）。

1.2 復(fù)合納米材料的制備

采用水熱法及改良St?ber法制備Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料［30-32］。

1.2.1 Fe3O4磁性納米球的制備

將3.799 g FeCl2·4H2O和7.028 g FeCl3·6H2O加入150 mL去離子水中，在1000 r/min磁力攪拌下均勻混合。向其中緩慢滴入1 mol/L NaOH溶液，待完全變黑后調(diào)節(jié)pH為11，在70 ℃水浴條件下反應(yīng)4 h。自然冷卻至室溫后利用磁鐵進(jìn)行分離，用去離子水和無水乙醇交替洗滌3次，再置于60 ℃烘箱中干燥12 h，研磨即得Fe3O4磁性納米球。

1.2.2 Fe3O4@SiO2磁性納米球的制備

將4.000 g Fe3O4磁性納米球在100 mL 0.l mol/L HCl溶液中超聲分散15 min，固液分離后用去離子水洗滌3次，再利用超聲手段使其均勻分散在160 mL無水乙醇、40 mL去離子水和5 mL 28%（w）氨水的混合溶液中。劇烈攪拌，并逐滴滴入10 mL正硅酸乙酯（TEOS），在50 ℃水浴條件下反應(yīng)6 h。利用磁鐵進(jìn)行分離，用去離子水和無水乙醇交替洗滌3次，再置于60 ℃烘箱中干燥12 h，研磨即得Fe3O4@SiO2磁性納米球。

1.2.3 Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米球的制備

以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為堿性體系中的表面活性劑模板，采用油水兩相分層的方法，在Fe3O4@SiO2納米球表面包覆介孔硅殼（mSiO2）。首先，將制得的0.150 g Fe3O4@SiO2磁性納米球置于三口燒瓶中，加入36 mL H2O、24 mL 25%（w）CTAB水溶液和0.18 mL三乙醇胺，超聲處理0.5 h，并于60 ℃水浴中攪拌1 h。然后，將20 mL TEOS與200 mL環(huán)己烷制成的混合溶液輕輕滴入上層溶液中，并用冷凝管覆蓋，在回流條件下60 ℃水浴機(jī)械攪拌（200 r/min）反應(yīng)12 h，利用磁選法收集產(chǎn)物，用去離子水和無水乙醇先后反復(fù)洗滌3次，置于60 ℃烘箱干燥12 h，取出研磨。最后，采用離子交換法去除模板劑CTAB：將所得產(chǎn)物超聲分散于6.0 g/L硝酸銨-乙醇溶液中，60 ℃水浴攪拌2 h，重復(fù)5次；磁鐵分離，用去離子水和無水乙醇交替洗滌3次，60 ℃真空干燥6 h，即得Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米球。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)方法

取一定濃度的氨氮溶液（NH4Cl和去離子水配置）50 mL于錐形瓶中，用0.1 mol/L HCl溶液和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至設(shè)定值，投加一定量的Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料，在一定溫度下以170 r/min轉(zhuǎn)速振蕩吸附一段時(shí)間，磁力分離后取上清液待測。

1.3 分析方法

采用納氏試劑分光光度法［33］，于420 nm波長下用可見光分光光度計(jì)測定溶液的氨氮濃度，根據(jù)吸附前后的氨氮濃度計(jì)算其去除率。

運(yùn)用SEM，TEM，F(xiàn)TIR，XRD，VSM，BET等手段對復(fù)合材料進(jìn)行表面形貌、官能團(tuán)、物相結(jié)構(gòu)、磁性能、孔結(jié)構(gòu)等的表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征結(jié)果

2.1.1 SEM和TEM

圖1a～c分別為制備所得Fe3O4，F(xiàn)e3O4@SiO2，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2的SEM照片。由圖1a可知，水熱法制備的Fe3O4呈均勻球狀，粒徑分布均一，但呈現(xiàn)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，單顆粒的尺寸約為30 nm。由圖1b可知，包覆SiO2后，納米復(fù)合材料Fe3O4@SiO2呈現(xiàn)均勻球狀，硅層約為90 nm厚，表面呈現(xiàn)小孔隙結(jié)構(gòu)，分散性良好。由圖1c可知，本實(shí)驗(yàn)在以CTAB作為活性劑模板，以TEOS為反應(yīng)原料，通過其在油水兩相界面的水解反應(yīng)，成功合成介孔硅球，使得納米球粒徑明顯增大，通過外層SiO2殼厚度均勻增加，形成更規(guī)則的球狀復(fù)合納米材料，平均直徑約為200 nm［34］。

TEM照片如圖1d～f所示。由圖1d～f可清晰觀察到Fe3O4@SiO2@mSiO2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，黑色部分為Fe3O4核，灰色部分為SiO2殼層，可見黑色的Fe3O4核被灰色的SiO2殼層所包覆，且核殼納米球界面清晰，復(fù)合納米粒子呈現(xiàn)明顯的核殼結(jié)構(gòu)。磁性內(nèi)部結(jié)構(gòu)與多個(gè)殼層相結(jié)合，提供了多個(gè)微環(huán)境，以防止結(jié)構(gòu)坍塌，并增加反應(yīng)接觸面積。

圖1 制備材料的SEM（a～c）和TEM（d～f）照片

2.1.2 FTIR、XRD、BET和VSM

制備材料的FTIR譜圖如圖2所示。在Fe3O4的譜圖中，3383 cm-1處的特征吸收峰為顆粒表面水分的伸縮振動(dòng)峰，1636 cm-1及560 cm-1分別對應(yīng)—OH的彎曲振動(dòng)及Fe—O的伸縮移動(dòng)。當(dāng)Fe3O4表面包覆了SiO2后，F(xiàn)e—O的特征峰由560 cm-1移至550 cm-1處，發(fā)生了“紅移”。此外，959 cm-1的振動(dòng)峰歸因于層間≡Si—OH振動(dòng)，在1167 cm-1處的強(qiáng)吸收峰為Si—O—Si的反對稱伸縮振動(dòng)吸收峰，798 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—O—Si的對稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，說明SiO2殼成功包覆在了Fe3O4表面。

圖2 制備材料的FTIR譜圖

圖3為制備材料的XRD譜圖。從圖中可以看出，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e3O4@SiO2，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2在2θ為30.2°、35.6°、43.2°、53.4°、57.1°和62.7°處均出現(xiàn)特征衍射峰，通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片PDF#88-0866的比較，發(fā)現(xiàn)這些峰分別對應(yīng)反尖晶石型納米Fe3O4的（220）、（311）、（440）、（331）、（422）和（511）晶面的特征衍射峰。Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@mSiO2在2θ為20°～30°之間有一明顯的非晶衍射峰，說明SiO2殼成功包覆在了Fe3O4表面。

圖3 制備材料的XRD譜圖

圖4為制備材料的N2吸附-脫附等溫線。根據(jù)IUPAC分類3種材料的等溫線均可歸類為Ⅱ型，F(xiàn)e3O4的等溫線具有H3型回滯環(huán)，而Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@mSiO2的等溫線具有H4型回滯環(huán)，表明3種材料中的孔為狹縫狀孔［35］。相對壓力低于0.40時(shí)，3種材料的等溫線重疊，表明存在少量微孔和單層吸附。N2吸附量在相對壓力高于0.40后迅速增加，且在相對較高壓力下觀察到H3（Fe3O4）和H4（Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@mSiO2）型滯后，這是因?yàn)樵贔e3O4中存在大孔和介孔的多層吸附作用，而在Fe3O4@SiO2和Fe3O4@SiO2@mSiO2中存在介孔和微孔的多層吸附作用，且3種材料中均存在毛細(xì)作用［36］。制備材料的比表面積和孔徑如表1所示，隨著復(fù)合材料的層數(shù)增加，材料的比表面積逐漸增大，為氨氮的吸附提供了更多的吸附位點(diǎn)，材料的孔徑隨復(fù)合層數(shù)增加而變小。

表1 制備材料的比表面積和孔徑

圖4 制備材料的N2吸附-脫附等溫線

制備材料的磁滯回線如圖5所示。Fe3O4，F(xiàn)e3O4@SiO2，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2納米材料的飽和磁化強(qiáng)度分別為0.481，0.217，0.466（104·A·m2/kg）。當(dāng)沒有外磁場時(shí)，宏觀磁化強(qiáng)度為零，磁性納米材料幾乎沒有磁滯現(xiàn)象，這表明球體是超順磁的。當(dāng)Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料在氨氮溶液中分散后，在燒杯旁放置磁鐵，發(fā)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)材料全部聚集在燒杯近磁鐵旁，證明該材料可以通過磁場進(jìn)行徹底分離。SiO2包覆在Fe3O4球表面上后，磁性Fe3O4球占比下降，使得復(fù)合粒子的飽和磁化強(qiáng)度下降。隨著第3層大分子介孔SiO2的包覆，介孔孔隙打開，樣品的飽和磁化強(qiáng)度回升，可見包覆后的復(fù)合材料仍具有良好的超順磁性。當(dāng)磁性物質(zhì)尺寸較小，且受到熱騷動(dòng)影響時(shí)，這些納米粒子會(huì)隨機(jī)地改變方向。由于本材料具有超順磁性，且飽和磁感化強(qiáng)度為0.466（104·A·m2/kg），故隨著磁場的增強(qiáng)，材料的磁性可隨之增強(qiáng)。該特性可使得材料在較弱的磁場條件下實(shí)現(xiàn)材料從廢水中移除，避免了材料對水體的污染，便于后續(xù)材料的再生處理，以實(shí)現(xiàn)材料的可重復(fù)利用。

圖5 制備材料的磁滯回線

2.2 氨氮吸附效果的影響因素

2.2.1 吸附劑投加量

投加Fe3O4@SiO2@mSiO2至30 mg/L氨氮溶液中，室溫下（30 ℃）吸附120 min，吸附劑投加量對氨氮吸附效果的影響如圖6所示。隨著吸附劑投加量從0.1 g/L增至0.6 g/L，納米復(fù)合材料對水中氨氮的去除率增加，氨氮去除率由35.88%增至83.24%，而吸附量從107.65 mg/g逐漸減至45.39 mg/g。這是因?yàn)殡S著投加量的增加可供吸附的活性點(diǎn)位增加，被吸附的吸附質(zhì)總量隨之增加；與此同時(shí)，載體數(shù)目的增多會(huì)增加吸附反應(yīng)的位置，在短時(shí)間內(nèi)更易達(dá)到吸附平衡，形成競爭吸附，使得吸附量逐步降低。為了同時(shí)保持較高吸附量和去除率，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇吸附劑投加量為0.4 g/L。

圖6 吸附劑投加量對氨氮吸附效果的影響

2.2.2 溶液pH

溶液pH可改變吸附劑表面的電荷和吸附質(zhì)在水中的形態(tài)，從而影響吸附劑在水中的吸附能力，不同溶液pH條件下（30 mg/L氨氮溶液，室溫下吸附120 min），F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料對氨氮的吸附如圖7所示。隨著溶液pH的增加，氨氮的去除率和吸附量均先快速上升再緩慢下降，最后保持穩(wěn)定。當(dāng)溶液pH為4時(shí)，氨氮去除率增至最大值84.43%，吸附量增至最大值63.32 mg/g。

圖7 溶液pH對氨氮吸附效果的影響

在不同pH條件下，氨氮的存在形式及Fe3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料表面基團(tuán)的吸附作用均存在差異性。當(dāng)pH在2～6時(shí)，溶液中的氨氮存在形式主要為，溶液中的H+與競爭吸附劑表面的吸附位點(diǎn)，隨著pH的增大的競爭優(yōu)勢逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致氨氮的吸附量增加［37］。當(dāng)pH在6～9時(shí)，隨著pH的增大，吸附量出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，這是由于溶液中OH-的含量增加，促使反應(yīng)→ NH3·H2O的正向進(jìn)行，以NH3·H2O形式存在的氨氮不斷增加，從而導(dǎo)致氨氮分子吸附量的降低。為了同時(shí)保持較高吸附量和吸附率，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇pH=4，此時(shí)氨氮去除率為84.43%，吸附量為63.32 mg/g。

2.3 吸附動(dòng)力學(xué)

室溫下，研究了30 mg/L氨氮溶液的氨氮吸附效果隨吸附時(shí)間的變化，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料吸附氨氮的速率在反應(yīng)初期較快，吸附量隨時(shí)間的延長而增加。10 min后，氨氮的吸附過程較平緩，吸附速率降低，40 min后達(dá)到吸附平衡。反應(yīng)初期吸附劑上存在大量的吸附位點(diǎn)，吸附劑與氨氮溶液的界面濃度梯度較大，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力促進(jìn)氨氮在吸附劑表面和孔隙內(nèi)的吸附。隨著吸附的進(jìn)行，大量吸附位點(diǎn)被占據(jù)，孔隙的吸附量逐漸接近飽和，與溶液濃度梯度逐漸減小，直至進(jìn)入以擴(kuò)散為主的動(dòng)態(tài)吸附平衡過程，吸附速率趨于零。

圖8 氨氮吸附效果隨吸附時(shí)間的變化

分別采用拉格朗日準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程（見式（1））和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程（見式（2））對圖8的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表2。由表2可知，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程擬合的R2值整體比準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程擬合的更高，說明準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型能更好地描述Fe3O4@SiO2@mSiO2對氨氮的吸附過程。

表2 動(dòng)力學(xué)方程的擬合結(jié)果

式中：t為吸附時(shí)間，min；qt為t時(shí)刻的吸附量，mg/g；qe為平衡吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級吸附速率常數(shù)，min-1；k2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)，g/（mg·min）。

2.4 吸附等溫線

室溫下吸附120 min，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2介孔磁性納米材料對水中氨氮的吸附等溫線如圖9所示。

分別采用Langmuir和Freundlich等溫吸附模型（分別見式（3）和式（4））對圖9的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表3。

圖9 氨氮吸附等溫線

由表3可見，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2對氨氮的飽和吸附量可達(dá)71.54 mg/g。在Freundlich吸附模型中，1/n小于1，說明Fe3O4@SiO2@mSiO2對氨氮的吸附較易進(jìn)行。Langmuir和Freundlich吸附模型的R2值分別為0.8951和0.9801，即Fe3O4@SiO2@mSiO2吸附氨氮更符合Freundlich模型，說明吸附材料表面在不同的吸附位置具有不同的吸附能量，且該吸附屬于多分子層吸附。

表3 等溫吸附模型的擬合結(jié)果

式中：ρe為吸附平衡時(shí)的氨氮質(zhì)量濃度，mg/L；qsat為飽和吸附量，mg/g；KL為Langmuir吸附常數(shù)，L/mg；KF為Freundlich吸附常數(shù)，n為與吸附強(qiáng)度相關(guān)的參數(shù)。

2.5 吸附氨氮的熱力學(xué)

利用式（5）～（6），根據(jù)Fe3O4@SiO2@mSiO2吸附氨氮的lnK與1/T的關(guān)系可得出相應(yīng)的熱力參數(shù)，如表4（30 mg/L氨氮溶液，吸附120 min）所示。

表4 氨氮吸附的熱力學(xué)參數(shù)

式中：K為吸附平衡常數(shù)，K=qe/ρe，L/g；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為吸附溫度，K；ΔG為吸附自由能變，J/mol；ΔH為吸附焓變，J/mol；ΔS為吸附熵變，J/（mol·K）。

在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，K值隨溫度的升高而降低，吸附過程的焓變ΔH＞0，表明吸附過程為吸熱過程。ΔG小于0，表明吸附過程是自發(fā)的，ΔG隨溫度升高而減小，說明升溫有利于吸附過程的自發(fā)進(jìn)行。ΔS＞0，證明在吸附過程中體系的自由度增加。

2.6 吸附劑的重復(fù)使用性能

在實(shí)際應(yīng)用中提高材料的吸附效率，同時(shí)提高材料的重復(fù)使用次數(shù)對降低廢水處理運(yùn)行成本至關(guān)重要。室溫下，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2在30 mg/L氨氮溶液中吸附120 min后，將其分別置于5%硫酸溶液和1%氯化鈉溶液中超聲處理30 min，然后用無水乙醇和去離子水交替洗滌3次，烘干再生后重復(fù)吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。可以看出，隨著使用次數(shù)的增加，F(xiàn)e3O4@SiO2@mSiO2對氨氮的吸附量呈下降趨勢。但該材料在第4次使用中對氨氮的吸附量仍保持在初始吸附量的65%以上，說明其具有良好的再生利用性和穩(wěn)定性。

圖10 Fe3O4@SiO2@mSiO2的重復(fù)使用性能

3 結(jié)論

a）制備所得的Fe3O4@SiO2@mSiO2為規(guī)則球狀，由三層結(jié)構(gòu)組成，中心為Fe3O4核，中間為SiO2包裹，最外層為介孔SiO2。材料為介孔磁性納米材料，呈現(xiàn)良好的超順磁性。

b）Fe3O4@SiO2@mSiO2對水中氨氮的去除率隨投加量的增加而增大，投加量增至0.4 g/L后基本保持不變，吸附量隨投加量的增加而減小；氨氮的去除率和吸附量隨溶液pH的增大均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，最適溶液pH為4。

c）Fe3O4@SiO2@mSiO2對水中氨氮的吸附符合拉格朗日準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型，匹配Freundlich等溫吸附模型，吸附過程為自發(fā)吸熱過程。

d）該材料在第4次使用中對氨氮的吸附量仍保持在初始吸附量的65%以上，具有良好的再生利用性和穩(wěn)定性。