一種基于羊毛纖維進(jìn)行磁性納米四氧化三鐵改性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于紡織工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于羊毛纖維進(jìn)行磁性納米四氧化 三鐵改性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，重金屬離子不僅影響水資源的有效利用，而且對(duì)公眾健康會(huì)產(chǎn)生極大 的危害，已成為當(dāng)前水體污染中難以解決的難題。采用傳統(tǒng)的水處理方法不能分解破壞廢 水中的重金屬離子如鉻、鎘、銅、汞、鎳和鋅等，而只能轉(zhuǎn)移它們存在的位置，或轉(zhuǎn)變它們的 物理化學(xué)狀態(tài)。四氧化三鐵本身無毒副作用，與生物相容性好，納米級(jí)四氧化三鐵具有較高 的比表面積和表面活性，在一定程度上會(huì)增加與重金屬離子的接觸機(jī)會(huì)，同時(shí)還具有一定 的磁性能，有利于回收再利用。然而由于其表面積或者活性位點(diǎn)有限，加之缺乏選擇性，導(dǎo) 致了吸附效率有限。
[0003] 羊毛纖維主要成分為角朊蛋白質(zhì)，其含量占97%。角朊是由多種α-氨基酸殘基構(gòu) 成，在大分子鏈上含有羧基、胺基和羥基等活性官能團(tuán)，分子間形成鹽式鍵和氫鍵等，長(zhǎng)鏈 之間由胱氨酸的二硫鍵聯(lián)結(jié)。在磁性納米四氧化三鐵顆粒表面包覆羊毛纖維降解有機(jī)小分 子物質(zhì)，不僅可以避免磁性納米粒子的團(tuán)聚，增強(qiáng)磁性顆粒的抗氧化性能，而且在顆粒表面 引入多種功能的基團(tuán)，獲得較多的活性位點(diǎn)，提高磁性納米四氧化三鐵吸附重金屬離子的 能力。目前，有關(guān)使用廢舊羊毛纖維制備磁性納米四氧化三鐵的相關(guān)技術(shù)還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于羊毛纖維進(jìn)行磁性納米四氧化三鐵改性的方法，在 磁性納米四氧化三鐵顆粒表面包覆羊毛纖維降解的有機(jī)小分子物質(zhì)，可以避免磁性納米粒 子的團(tuán)聚，增強(qiáng)磁性顆粒的抗氧化性能，提高磁性納米四氧化三鐵吸附重金屬離子的能力。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于羊毛纖維進(jìn)行磁性納米四氧化三鐵改性的 方法，具體按照以下步驟實(shí)施：
[0006] 步驟1，羊毛纖維預(yù)處理；
[0007] 步驟2,將步驟1處理后的羊毛纖維進(jìn)行水解，得羊毛纖維水解液；
[0008] 步驟3,利用氯化亞鐵與三氯化鐵制備四氧化三鐵前驅(qū)體溶液；
[0009] 步驟4,將步驟2所得水解液緩慢滴加到步驟3所得前驅(qū)體溶液中，并以10~50轉(zhuǎn)/ min速率進(jìn)行攪拌，混合均勻后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值至12,用塑料薄膜密封后置于40°C ~60°C條件下晶化2~5h，然后真空抽濾，洗滌、干燥后，即得羊毛纖維改性的磁性納米四氧 化三鐵。
[0010] 本發(fā)明的特征還在于，
[0011] 步驟1中，羊毛纖維預(yù)處理的具體過程為：
[0012] 將待處理羊毛浸泡在40°C~50°C、質(zhì)量百分比濃度為0.2~1 %的碳酸鈉溶液中10 ~30min，然后用去離子水進(jìn)行洗滌，再將羊毛纖維浸泡在40°C~60°C的無水乙醇溶液中10 ~30min，最后用去離子水清洗1~3次，50°C烘干，備用。
[0013]步驟2中，羊毛纖維水解液的具體制備過程為：
[0014] 按照浴比1:100~200,稱取步驟1所得羊毛纖維，將羊毛纖維添加到70°C~90°C、 質(zhì)量百分比濃度為2~6%的氫氧化鈉溶液中，并以50~200轉(zhuǎn)/min速率進(jìn)行攪拌，待羊毛纖 維完全溶解后，用塑料薄膜密封，然后置于70°C~90°C條件下保溫6~12h，然后超聲振蕩處 理20~40min，即得。
[0015] 步驟3中，前驅(qū)體溶液的制備過程為：
[0016] 配制質(zhì)量百分比濃度為5~10%氯化亞鐵的水溶液，向其中加入三氯化鐵，攪拌使 其充分溶解后，即得。
[0017] 前驅(qū)體溶液中氯化亞鐵與三氯化鐵的摩爾比為1:2。
[0018]步驟4中，羊毛纖維降解液與前驅(qū)體溶液的體積比1:2~20。
[0019] 步驟4中，洗滌、干燥過程為:分別用去離子水、丙酮和無水乙醇依次進(jìn)行洗滌3~5 次，40°C~60°C真空干燥。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是，
[0021] (1)本發(fā)明使用氫氧化鈉來降解羊毛纖維，不會(huì)引人其他雜質(zhì)。羊毛纖維在濃度2 ~6%的氫氧化鈉溶液中，在70°C~90°C條件下處理6~12h可以水解生成低分子量的氨基 酸有機(jī)物質(zhì)，超聲振蕩處理能夠使得羊毛纖維水解更加充分、均勻，可以最大限度地利用羊 毛纖維。
[0022] (2)本發(fā)明使用氯化亞鐵與三氯化鐵配制而成的前驅(qū)體溶液，通過添加一定量的 羊毛纖維降解液，可以制備出包覆有機(jī)成分的赤鐵礦納米四氧化三鐵顆粒，生成的磁性納 米四氧化三鐵不會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒尺寸小，分布比較均勻，不會(huì)破壞四氧化三鐵的晶體 結(jié)構(gòu)，磁性納米粒子表面包覆的有機(jī)物薄膜可以達(dá)到一定的厚度，結(jié)合牢固，同時(shí)還可以防 止四氧化三鐵發(fā)生氧化，本發(fā)明方法制備方法簡(jiǎn)單、高效，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
[0023] (3)本發(fā)明利用廢舊羊毛纖維制備出的磁性納米四氧化三鐵顆粒，對(duì)重金屬離子 的吸附性能好，使用壽命長(zhǎng)，能夠反復(fù)多次使用，包覆在四氧化三鐵顆粒表面的氨基酸有機(jī) 薄膜耐丙酮、無水乙醇等有機(jī)溶劑能力強(qiáng)。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明方法所得磁性納米四氧化三鐵的掃描電鏡照片；
[0025] 圖2為本發(fā)明方法所得磁性納米四氧化三鐵的X射線衍射譜圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明方法所得磁性納米四氧化三鐵的透射電鏡照片；
[0027]圖4為普通納米四氧化三鐵與本發(fā)明方法所得納米四氧化三鐵的X射線光電子能 譜對(duì)比圖；
[0028]圖5為普通納米四氧化三鐵與本發(fā)明方法所得納米四氧化三鐵的磁滯曲線對(duì)比 圖；
[0029]圖6為本發(fā)明方法所得磁性納米四氧化三鐵顆粒在溫度293K條件下的Langmuir等 溫吸附模型；
[0030]圖7為本發(fā)明方法所得納米四氧化三鐵顆粒在不同初始銅離子濃度條件下的準(zhǔn)二 級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0032] 本發(fā)明一種基于羊毛纖維進(jìn)行磁性納米四氧化三鐵改性的方法，使用氫氧化鈉來 降解羊毛纖維以制備出富含氨基酸的有機(jī)物降解液，然后將其添加到二價(jià)鐵與三價(jià)鐵的氯 化物溶液中，在一定溫度和pH值條件下納米四氧化三鐵晶化、沉淀，最后經(jīng)過濾、洗滌和烘 干得到羊毛改性納米四氧化三鐵。具體按照以下步驟實(shí)施：
[0033] 步驟1，按照質(zhì)量百分比濃度0.2~1 %，稱取一定量的碳酸鈉并充分溶解到100mL 的去離子水中。按照浴比1:20~50,稱取一定量的廢舊羊毛纖維。將羊毛纖維浸泡在40°C~ 50°C的碳酸鈉溶液中10~30min，然后用去離子水進(jìn)行洗滌，再將羊毛纖維浸泡在40°C~60 °C的無水乙醇溶液中10~30min，最后用去離子水清洗1~3次，50°C烘干備用。
[0034]步驟2,按照質(zhì)量百分比濃度2~6%，稱取一定量的氫氧化鈉并充分溶解在100mL 的去離子水中。按照浴比1:100~200,稱取一定量的洗凈羊毛纖維。將羊毛纖維添加到70°C ~90°C的氫氧化鈉溶液中，并以50~200轉(zhuǎn)/min速率進(jìn)行攪拌。當(dāng)羊毛纖維完全溶解后，用 塑料薄膜密封氫氧化鈉溶液，然后置于70°C~90°C條件下保溫6~12h，然后超聲振蕩處理 20~40min，可以得到富含氨基酸的羊毛纖維降解液。
[0035]步驟3,按照質(zhì)量百分比濃度5~10%，稱取一定量的氯化亞鐵，按照氯化亞鐵與三 氯化鐵的摩爾比1:2,稱取一定量的三氯化鐵。分別用少量的去離子水溶解氯化亞鐵和三氯 化鐵，然后再將兩者充分混合，配制成四氧化三鐵前驅(qū)體溶液。按照羊毛纖維降解液與前驅(qū) 體溶液的體積比1:2~20，將步驟2得到的羊毛纖維降解液緩慢地添加到四氧化三鐵前驅(qū)體 溶液中，并以10~50轉(zhuǎn)/min速率進(jìn)行攪拌，添加完成后用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值為12。用塑 料薄膜密封后置于40°C~60°C條件下晶化2~5h，然后真空抽濾，分別用去離子水、丙酮和 無水乙醇進(jìn)行反復(fù)洗滌，40°C~60°C真空干燥，即得到羊毛纖維改性的磁性納米四氧化三 鐵。
[0036]以銅離子為模型，對(duì)利用本發(fā)明方法所得改性磁性納米四氧化三鐵對(duì)吸附重金屬 離子的性能進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法為:將0.05g的羊毛纖維改性磁性納米四氧化三鐵顆粒 添加到體積50mL、濃度10mg/L的硫酸銅溶液中，超聲振蕩30min后靜置24h。溶液經(jīng)高速離心 取上層清液，用雙環(huán)己酮乙二酰二腙(BC0)對(duì)溶液進(jìn)行顯色，用UV-1600型分光光度計(jì)測(cè)定 最大吸收波長(zhǎng)545nm處的吸光度，并根據(jù)吸光度與濃度標(biāo)準(zhǔn)回歸方程計(jì)算銅離子濃度。根據(jù) 公式（1)計(jì)算銅離子去除百分率Re:
[0038] 式中：Co為銅離子溶液初始濃度(mg/L) ;Ce為吸附平衡時(shí)的銅離子濃度。
[0039] 銅離子平衡吸附量(^)是指吸附達(dá)到平衡時(shí)磁性納米四氧化三鐵顆粒吸附銅離 子的能力，根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：
[0041 ]式中:V為銅離子溶液的體積(L) ;m為磁性納米四氧化三鐵的質(zhì)量(g)。
[0042] 溫度293K條件下吸附等溫模型分析:銅離子初始濃度從5mg/L到50mg/L，達(dá)到吸附 平衡后測(cè)定銅離子溶液的吸光度，然后對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合處理，并依據(jù)Langmuir模型， Freundlich模型，Dubinin-Radushkevich模型和Temkin模型對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合分析。 [0043]吸附動(dòng)力學(xué)分析:對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)一階、準(zhǔn)二階和顆粒內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型擬合， 以進(jìn)一步確定磁性納米四氧