磁性纳米四氧化三铁的制备工艺及其表面改性

第 2期
赵晓东等 : 磁性纳米四氧化三铁的制备工艺及其表面改性
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图 1 F e3 O4 的 XRD 图谱 F ig . 1 X2 ray diffraction ( XRD) pa tterns of Fe3 O4
图 2 2# F e3 O4 样品的扫描电镜图 F ig . 2 SEM i m age of the second F e3 O4 sa m ple
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应用化工
3+ 2+
第 39 卷
的混合溶液, 再加入 0 . 5 mol/L 的 NaOH 溶液 , 调节 溶液 p H 至 14 , 不断搅拌下于一定温度下水浴加热 一定时间后取出, 再于一定温度下晶化一定时间后, 即制得水基 Fe3O 4。利用 F e3 O4 磁性 微粒的磁 性, 将水基 Fe3 O4 置于多用 磁性分析仪 上快速固 液分 离, 再用去离子水反复洗涤至中性 , 取出, 于 50 e 下 低温干燥 , 即得纳米 F e3 O4 粒子。 1 . 2 . 2 F e3 O4 表面改性 将最适宜 条件制备的水 基 Fe3 O4, 滴加浓度 37 % 的盐酸, 调节 p H= 4 , 加入 Fe3O 4 粒子质量 20 % ~ 30 % 的油酸钠 , 60 e 下反应 30 m in 后, 置于多用磁性分析仪上进行快速固液分 离, 用无水乙醇洗涤 2~ 3 次, 洗掉表面多余的油酸, 完成 F e3 O4 表面改性。
P repar ation and sur face m odification of m agnetic nano2F e3 O4
ZHA O X iao2 dong, FENG Q i2 m ing, WA NG Wei2qing
( Sou th W estUn ive rsity of Sc ience and Technology , Key Labora tory of SolidW aste Treatm ent and R esource R ecyc le , M inistry of Education, M ianyang 621010, Ch ina)
3+
to Fe
2+
4 B2 , react ion
temperature 50 e , reaction ti me 1 h , crysta llizat ion ti m e 1 h, its gra in size is 11. 2 nm and saturated m ag2 netic in tensity is 56 . 337 emu / g ; sod ium oleate is good for surface mod ification of nano2 Fe3 O4. K ey words : nano2 F e3 O4; chem ica l co2precipitation ; surface modifica tion 一些多孔非金属矿 , 如膨润土、 沸石、 凹凸棒石、 海泡石、 膨胀石墨等 , 经一定方法处理后具有良好的 吸附性能与离子交换性能, 可广泛应用于环保领域, 如用于各类废水 ( 含重金属离子废水、 有机物污染 废水及水面油污等 ) 处理工艺中。但此类微孔非金 属矿只有在以粉体形态使用时才能充分发挥良好的 性能 , 粉体粒径一般为微米级 , 这样微小的颗粒在处 理废水后长期悬浮于水中, 难于分离处理以循环利 用。如将多孔非金属矿与磁性纳米 Fe3O 4 复合, 即 可在其处理废水后采用磁分离技术方便、 快速地与 反应介质 ( 处理后的液体 ) 分离, 以回收再生、 循环 利用。因此, 性能良好的 F e3 O4 是制备磁性多孔矿 物复合材料的基础。 制备纳米 F e3 O4 的方法有共沉淀法、 沉淀氧化 法、 微乳液法、 水 热法、 机械 研磨 法、 凝聚法、 溶胶 [ 125] 法 等。其中 , 共沉淀法因制备条件温和、 工艺简
收稿日期 : 2009212216 修改稿日期 : 2009212228
捷、 成本低, 而被广泛采用。因此, 本文对采用共沉 淀法制备磁性纳米 F e3 O 4 微粒的制备工艺进行系统 研究, 并对产物进行表面改性及表征分析。
1 实验部分
1 . 1 试剂与仪器 F eCl3# 6 H 2 O、 F eSO4# 7H 2O、 N aOH、 盐酸均为分 析纯; 油酸钠为化学纯。 78HW 21 型电磁加热搅拌器 ; 101A 22 型恒温干 燥箱; FA1604型电子天平 ; X . P ert PRO 型 X 射线衍 射仪; N icolet2 5700型傅立叶红外光谱仪 ; S440 型扫 描电子显微镜; 美国 Lake Shore 7410 型振动样品磁 强计。 1 . 2 实验方法 1 . 2 . 1 纳米 F e3 O4 的制备 采用共沉淀法制备。首
2+ 3+ -
/摩尔比 1 2 3 4 4 B4 4 B3 4 B2 4 B1
表 2 正交实验结果 The r esu lts of the or thogona l exp er i m en t
B 1 .0 2 .5 1 .5 2 .0 1 .5 2 .0 1 .0 2 .5 2 .0 2 .5 1 .5 1 .0 2 .5 1 .0 2 .0 1 .5 7 . 800 7 . 850 8 . 200 8 . 35 0 . 75 C 50 70 80 60 60 80 70 50 70 50 60 80 80 60 50 70 7. 575 7. 625 8. 525 8. 500 0. 950 D 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 1 . 5 1 . 0 2 . 5 2 . 0 2 . 0 2 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 5 2 . 0 1 . 5 1 . 0 7 . 825 8 . 325 8 . 225 7 . 850 0 . 500 E 50 50 50 50 60 60 60 60 70 70 70 70 80 80 80 80 7 . 850 8 . 050 8 . 100 8 . 225 0 . 375 晶粒度 /nm 10. 4 11. 2 7. 0 2. 8 11. 2 10. 7 6. 8 3. 5 12. 4 9. 5 6. 5 4. 0 12. 3 9. 5 6. 9 3. 7
[ 6] 5 2+ 3+
计算各条件下 F e3 O4 粒子的晶粒度。
表 1 即为因素水平表, 结果见表 2 。图 1 为各样品 的 XRD 图谱。
表 1 因素水平表 Tab le 1
A Fe
3+
Fa ctor s a nd levels
B C D E
BFe
2+
反应时间 反应温度 晶化时间 晶化温度 /h 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 /e 50 60 70 80 /h 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 /e 50 60 70 80
第 39 卷第 2 期 2010 年 2 月
应ຫໍສະໝຸດ Baidu
用
化
工
Vo. l 39 No . 2 F eb. 2010
App lied Che m ica l Industry
磁性纳米四氧化三铁的制备工艺及其表面改性
赵晓东, 冯启明, 王维清
( 西南科技大学 固体废弃物处理与资源化省部共建教育部重点实验室 , 四川 绵阳 621010)
2 结果与讨论
2 . 1 制备纳米 F e3 O 4 的最佳条件 共沉淀 法制备 Fe3 O4 粒子的 基本化学反 应式 为: F e + 2Fe + 8OH y F e3 O4 + 4H 2O
Tab le 2
样号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 k1 k2 k3 k4 R A 4 B4 4 B3 4 B2 4 B1 4 B4 4 B3 4 B2 4 B1 4 B4 4 B3 4 B2 4 B1 4 B4 4 B3 4 B2 4 B1 11. 575 10. 350 6. 800 3. 500 8. 075
由表 2 可知 , 最佳组合为 A4B 1C1D 1 E 1。但从图 1 看, 该组样品 Fe3 O4 衍射强度小, 宽度大 , 并有不 属于 F e3 O4 的杂 峰。经 JDPS 标准卡 对照, 确 定为 FeO 的衍射峰 , 因为其 Fe 过剩 , 易被氧化 成氢氧 化物或 A2FeOOH, 并因此影 响样品的结晶程度 , 质 量较差。最后确定最佳条件为 A3B1 C1D 1E 1。 2 . 2 像。 F e3 O 4 的扫描电镜分析 图 2 为最佳条件制备的 F e3 O 4 粒子的 SEM 图
A bstra ct : The preparation of Fe3 O4 nanopart icle w ith chem ica l co2 precipitation m ethod , and surface mod i2 fication by sodiu m oleate were in troduced . N ano2 Fe3 O4 partic les were prepared under different condit ions, the propert ies of the partic le were measured by XRD, VS M, SEM and FT I R. The opti m um preparat ion con2 ditions of nano2 Fe3 O4 and the feasibility of the surface modificat ion by sod ium oleate were d iscussed . The results showed th at the opti m um performance is as follo ws : the molar ratio of F e
先按一定摩尔比配 制 FeCl H 2O 与 FeSO4# 7 H2 O , 3# 6
基金项目 : 国家自然科 学基金资助项目 ( 50804039) 作者简介 : 赵晓东 ( 1986- ) , 男 , 山 东潍坊人 , 西南科技大学在读硕士研究生 , 师从冯启 明教授 , 主要从事 非金属矿产 开发 利用及矿物材料方面 的研究。电话 : 0816- 2419223, E- m ai:l 20388021@ 163. com
2+
由图 2 可知 , 其粒径大约为 10~ 20 nm , 形貌为 球形, 粒径较均匀。由于 SEM 制样可导致 Fe3 O4 粒 子的软团聚 , 因此所得粒径比计算的晶粒度要略大。 2 . 3 油酸钠改性 F e3 O 4 的效果 当 F e3 O4 粒子处于酸性环境中 , 其表面的 OH
摘
要 : 采用共沉淀法制备纳米 F e3 O4 胶体溶液 , 并用油酸钠对其进行包覆改性。制备了不同条件 下的纳米 F e3 O4
粒子 , 用 X 射线分析仪、 振动样品磁强计 、 扫描电子显微镜、 傅立叶 红外光谱 仪对产 品进行 分析表征。 探讨了 制备 纳米 F e3 O4 的最 佳工艺 条件以 及油酸 钠改性 的可行 性。结果表 明 , F e3+ 和 Fe2+ 的 摩尔比 为 4 B2 时 , 反应 1 . 0 h , 50 e 晶化 1. 0 h, 制备的 Fe3 O4 晶粒度为 11. 2 nm , 磁饱和强度为 56. 337 e m u/ g ; 油 酸钠用于 F e3 O4 改 性 , 包覆 效果 良好。 关键词 : 纳米 F e3 O4 ; 化学共沉淀法 ; 表面改性 中图分类号 : TQ 032 文献标识码 : A 文章编号 : 1671- 3206( 2010) 02- 0171- 04
由反应式可知, 理想情况下 F e 和 F e 的摩尔 比应该为 2 , 但实验过程中 , F e 易被氧化为 Fe , 3+ 2+ 因此, n ( F e ) /n ( F e ) 对 Fe3 O4 粒子制备有较大 的影 响。 实 验 采 用 4 水 平 5 因 素 设 计, 即 采 用 L16 ( 4 ) 正交表设计 , 以晶粒度为考核指标 , 即对纳 米 F e3 O4 粒子进行 XRD 分析, 再经图谱拟合 , 结合 Scherrer公式