磁性海泡石的制备及表征

了其磁分离回收率及 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 的饱和交换吸附量。结果表明，Fe3O4 微粒相互聚集并附载于海泡石表面，并与 海泡石形成团聚体。磁性海泡石具超顺磁性，其饱和磁化强度（Ms）、剩余磁化强度（Mr）及磁分离回收率随 Fe3O4 载量 增加而升高，对 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 的饱和交换吸附量随 Fe3O4 载量增加而降低。磁性海泡石中 Fe3O4 载量以 16%（质量分 数）为宜，该磁性海泡石磁分离回收率为 98.1%，对 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 饱和交换吸附量分别为 18.4、16.1、13.6 mg·g-1。
表明，Fe3O4 微粒近似球粒状，大小约 10～20 nm，这
和 XRD 晶粒粒径分析结果大致相当。图 2（b）中海
ÁÂÃÄÅÂÆÁÁÂÃÄÅÆÁ泡石呈纤维状。图2（c）可见Fe3O4球形、块状聚集
体附载于海泡石表面，并与海泡石形成团聚体。图 2（d） 可见海泡石表面附载有 Fe3O4 微粒及 Fe3O4 微粒相 互聚集现象。结合纳米微粒具有高表面能及海泡石 表面存在固有电荷，可以认为，纳米 Fe3O4 微粒为降 低其表面能相互聚集后，并在静电引力的作用下附 载于海泡石表面而形成团聚体，这将有利于磁性海 泡石中海泡石在实际应用中的磁分离回收。
42
水处理技术
第 36 卷 第 7 期
度的增大而增大，但最终都趋于饱和；当外加磁场强
度逐渐降低至零时，各样品的磁化强度也同样趋近于
零；反方向施加磁场，各样品的磁化强度则反向趋于饱
和。各样品的磁滞回线接近为重合的 S 型曲线，说明各
样品具超顺磁性，这也和磁性沸石磁滞回线相似[10]。通
过对比表 1 中各样品的 Ms、Mr、Hci 测定结果可以看 出，磁性海泡石具超顺磁性。但由于磁性海泡石中只
性的矿物成分为海泡石所致。同一 Fe3O4 载量的磁 性海泡石，Cu2+、Zn2+、Cd2+ 饱和交换吸附量随离子有
效半径增大 （Cu2+、Zn2+、Cd2+ 离子有效半径分别为
0.065、0.068、0.087 nm）而依次降低，即离子有效半
径越大越不利于交换吸附。
表 2 磁分离回收率及重金属离子的饱和交换吸附量
晶粒粒径为 14 nm；海泡石原矿中主要矿物为海泡
石、另有一定量的滑石及 α- 石英；磁性海泡石中海
泡石晶体结构未发生变化，Fe3O4 谱峰相对强度随
Fe3O4 载量增加而依次增强。
2.2 微区分析
图 2 为 Fe3O4 微 粒 、 海 泡 石 及 磁 性 海 泡 石
（Fe3O4 质量分数为 13%）SEM 及 TEM 照片。图 2（a）
表 1 为 Ms、Hci、Mr 分析结果。由图 3 可知，磁化过程 中 Fe3O4 及磁性海泡石的磁化强度均随外加磁场强
60 40 20
0
/A m kg
-20
-40
-60 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 /10 A m
图 3 Fe3O4 微粒及磁性海泡石的磁滞回线
Fig.3 Hysteresis loops of Fe3O4 magnetic particles and magnetic sepiolite
41
海泡石经破碎、粉磨至 0.038 mm 后即制得海泡 石粉体，样品编号为 S1。
磁性海泡石制备过程为：将海泡石粉体加少量去 离子水制成悬浮液后，按一定比例加入 Fe3O4 磁流 体、超声波中分散 30 min 后，105 ℃下真空干燥、研磨 至 0.038 mm 即制得 Fe3O4 质量分数为 10、13、16、20、 25%的磁性海泡石，分别编号为 S2、S3、S4、S5、S6。 1.4 样品表征及性能 1.4.1 样品表征
有 Fe3O4 微粒具磁性，因此其 Ms 和 Mr 较 Fe3O4 低，
但 Hci 变化不明显。对于不同 Fe3O4 载量的磁性海泡
石，Ms 和 Mr 均随 Fe3O4 载量的增加呈规律升高。
表 1 磁性样品磁性参数
Tab.1 Magnetic parameters of magnetic samples
以 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 作为工业废水中常见重金属离 子。具体为：称取海泡石原矿及不同 Fe3O4 载量的磁 性海泡石各 0.2 g，分别加入到 50 mL 摩尔浓度为 0.005 mol·L-1 的 CuSO4 交换液中，常温振荡 12 h 以 保证离子交换饱和后，采用原子吸收光谱仪测定上层 清液中 Cu2+ 浓度，根据测试结果得出样品 Cu2+ 饱和 交换吸附量。改变交换液为 ZnSO4 或 CdCl2 溶液，测 试样品 Zn2+、Cd2+ 饱和交换吸附量。
Tab.2 Magnetic separation recovery rate and saturation exchangeadsorption capacity of heavy metal ion of samples
样品 磁分离回收率 /%
饱和交换吸附量 /mg·g-1
Cu2+
Zn2+
Cd2+
本文先采用化学共沉淀法制备 Fe3O4 磁流体， 再与海泡石复合制备不同 Fe3O4 载量（质量分数，下 同） 的磁性海泡石，并进行表征分析，重点研究 Fe3O4 载量对磁性海泡石磁性能、磁分离回收率及重 金属离子饱和交换吸附量的影响。这对于提高海泡 石的废水处理效率具有现实意义。
1 材料与方法
1.1 试验试剂及原料
第 36 卷 第 7 期
40 2010 年 7 月
水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.36 No.7 Jul.,2010
磁性海泡石的制备及表征
王维清，冯启明，董发勤
（西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010）
摘 要：先采用化学共沉淀法制备 Fe3O4 磁流体，再与海泡石复合制备一系列不同 Fe3O4 载量（质量分数）的磁性海 泡石，并进行 X 射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、振动样品磁强计（VSM）等表征分析，测定
吸附量分别为 18.4、16.1、13.6 mg·g-1。即当 Fe3O4 质 量分数为 16%时，可获得具超顺磁性、磁分离回收
率高、离子交换吸附性能良好的磁性海泡石。
3结论
分析表明 Fe3O4 微粒附载于海泡石表面，并与海 泡石相互聚集而成团聚体。磁性海泡石具顺磁性，其 饱和磁化强度 Ms、剩余磁化强度 Mr、磁分离回收率 及重金属离子饱和交换吸附量都随 Fe3O4 载量的增 加而升高。因此，在制备 Fe3O4 磁流体的基础上，当 Fe3O4 质量分数为 16%时，可获得具超顺磁性、磁分 离回收率高、离子交换吸附性能良好的磁性海泡石， 该磁性海泡石在处理含重金属离子废水后可在外加 磁场下快速分离回收。
金属离子或有机物工业废水净水剂。但在实际中，上 （油酸钠），上述试剂为分析纯。海泡石原矿，工业
述矿物一般都以矿物粉体加以应用，这也导致微孔 级，湖南浏阳。
矿物粉体长期悬浮于溶液中而难于快速分离回收。 1.2 试验仪器
如能在其中附载一定量的磁性微粒制备磁性矿物材
多用磁性分析仪，北京地质仪器 WCF2-72 型；X
表 2 为海泡石、磁性海泡石的磁分离回收率及
对 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 的饱和交换吸附量。由表 2 可知，
磁性海泡石磁分离回收率随 Fe3O4 质量分数增加而 升高，但当 Fe3O4 载量高于 16%时，磁分离回收率增 加变缓。磁性海泡石的 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 饱和交换吸
附量随 Fe3O4 载量增加而依次降低，但较海泡石低， 这是由于磁性海泡石对 Cu2+、Zn2+、Cd2+ 具交换吸附
图 2（a） Fe3O4 微粒 TEM
图 2（b） 海泡石 SEM
图 2（c） 磁性海泡石 SEM 图 2（d） 磁性海泡石 TEM 图 2 样品的 SEM 及 TEM 照片
Fig.2 SEM and TEM photographs of samples
2.3 磁性分析 图 3 为 Fe3O4 微粒及磁性海泡石的磁滞回线，
关键词：：磁性海泡石；磁性能；磁分离回收率；饱和交换吸附量
中图分类号：TQ424.29
文献标识码：A
文章编号：1000-3770(2010)07-0040-003
粘土矿物、天然 / 人工合成沸石等微孔矿物具
FeCl3·6H2O、FeSO·4 7H2O、NaOH、HCl、CuSO·4 5H2O、
有离子交换吸附性能或大的比表面积，可用作含重 ZnSO4 ·7H2O、CdCl2 ·2.5H2O、CH3CH2OH、C18H33NaO2
置 FeCl3 与 FeSO4 量比为 3：4 的混合溶液，高速搅拌 下用浓度 0.5 mol·L-1 的 NaOH 调节溶液 pH 至 10 后，于 70 ℃反应 1.5 h，再 50 ℃下静置晶化 1.5 h 后， 于磁性分析仪上快速固液分离。根据生成 Fe3O4 的总 质量加去离子水配制成 Fe3O4 质量分数为 10%的悬 浮液，搅拌下用 0.1 mol·L-1 的 HCl 调节溶液 pH 至 4 后 ， 加 入 质 量 约 为 生 成 Fe3O4 总 质 量 的 30% 的 C18H33NaO2，于 50 ℃下反应 30 min 后，再于多用磁性 分析仪上快速固液分离，并先后用去离子水、无水乙 醇各洗涤 2 次，再加去离子水制成 Fe3O4 质量分数为 50%的磁流体。磁流体经固液分离、干燥后即得 Fe3O4 微粒，样品编号为 S0。
2 结果与讨论
2.1 XRD 分析 图 1 为各样品的 XRD 图谱。由图 1 可知 Fe3O4
结晶度较好，未见有因 Fe3O4 氧化而成的 Fe2O3 谱
图 1 各样品的 XRD 图谱 Fig.1 XRD patterns of samples
峰，谱峰拟合后结合 Scherrer 公式，得出 Fe3O4 平均
收稿日期：2009-12-16 基金项目：国家自然科学基金项目（50804039） 作者简介：王维清（1979－），男，硕士，助理研究员，研究方向为用于水处理非金属矿物材料开发与应用 联系电话：13909013278；E-mail：swustwwq@
王维清等，磁性海泡石的制备及表征
样品
Ms /A·m2·kg-1 Mr /A·m2·kg-1
Hci /A·m-1
S0
54.255
1.333
0.015
S2
6.639
0.251
0.020
S3
8.818
0.306
0.017
S4
10.382
0.366
0.017
S5
13.076
0.484
0.019
S6
16.035
0.569
0.018
2.4 磁分离回收率及重金属离子饱和交换吸附量
料，则可在外加磁场下实现其从溶液中快速分离。目 射线衍射仪，X' Pert PRO 型；扫描电子显微镜，S440
前磁性矿物材料的研究包括用作废水处理的磁性膨 型；透射电子显微镜，JEM-100CX 型；振动样品磁强
润土[1-4]及磁性沸石[5-10]等的制备及其性能表征。但与 计，7410 型；原子吸收光谱仪
S2
92.5
S3
98.1
S4
98.2
S5
98.4
S6
98.6
26.6
25.0
22.0
19.5
17.5
15.3
18.4
16.1
13.6
17.4
14.6
12.1
16.9
13.5
9.5
15.5
12.1
8.5
综合磁性海泡石的磁性参数、磁分离回收率及
各重金属离子的饱和交换吸附量，可以认为，磁性海
泡石中 Fe3O4 质量分数以 16%为宜，此时磁性海泡 石磁分离回收率为 98.1%，Cu2+、Zn2+、Cd2+ 饱和交换
采用 X 射线衍射仪测定样品物相；采用扫描电 子显微镜及透射电子显微镜测定微区形貌；采用振动 样品磁强计测试磁性样品的磁滞回线、饱和磁化强度 Ms、剩余磁化强度 Mr、矫顽力 Hci。 1.4.2 磁分离回收率测定
称取不同 Fe3O4 载量的磁性海泡石各 0.2 g，加去 离子水配制固液比为 1：250 的悬浮液，常温振荡 3 h 后，再匀速流经置于多用磁性分析仪磁极间隙中玻璃 管（磁场强度 1.194×105 A·m-1，磁极倾角 15°，玻璃 管直径 Φ15 mm，溶液流量 50 mL·min-1），根据滞留 于玻璃管中样品质量测定磁分离回收率。 1.4.3 重金属离子饱和交换吸附量测定
磁性矿物复合材料实际应用中密切相关的磁分离回 1.3 样品制备
收率还未见有报道。海泡石阳离子交换吸附量大、对
Fe3O4 磁流体制备采用化学共沉淀法制备。先配
有机物具较强的吸附性能，可用作废水中重金属离 子[11-14]、有机染料[15-16]的净水剂，但在其实际应用中也 存在难于从溶液中快速分离回收的问题。