專利名稱：一種納米復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是涉及一種納米復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
水中雜質(zhì)的消除是關(guān)系人民生活的重要方面。在我國的相當(dāng)多地區(qū)，地下水中 含有砷等重金屬離子，嚴(yán)重影響人民的生活和健康。通過吸附消除水中的重金屬離 子可以將不適于飲用的水資源提純?yōu)榭娠嬘盟?。使用安全、成本低，消除重金屬離 子效率高的材料具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今為止，已經(jīng)有多種材料被用來消除水中 的重金屬離子。
現(xiàn)有水處理的方法可以分為兩類， 一是沉淀方法，將水中重金屬離子以難溶于 水的化合物形式沉淀分離，適用于含重金屬離子濃度較高的水的處理；另一類是吸 附方法，但該方法吸附效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。 本發(fā)明提供的制備納米復(fù)合材料的方法，包括如下步驟
將金屬氧化物前體的溶液均勻負(fù)載于多孔材料的表面及孔道中，通過原位化學(xué) 反應(yīng)將金屬氧化物前體轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬氧化物，得到所述納米復(fù)合材料。
該方法中，所述金屬氧化物前體為鐵、鈷、錫、鈦、鋅和鈰中任意一種金屬元 素的硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物或醋酸鹽；所述多孔材料選自硅膠、活性炭、高嶺土、 分子篩和氧化鋁中的至少一種；所述金屬氧化物前體的溶液中，溶劑選自水、乙醇、 丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇和丙三醇中的至少一種。
所述金屬氧化物前體溶液的濃度為l-65wt%，優(yōu)選30—50%;所述金屬氧化物 前體與所述多孔材料的質(zhì)量份數(shù)比為1: 2-4。
該方法中，原位化學(xué)反應(yīng)的方法是下述方法a或方法b;
方法a:向金屬氧化物前體和多孔材料組成的反應(yīng)體系中加入pH值為9-14的 堿性溶液，進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)；
方法b:在150-80(TC的條件下，將金屬氧化物前體和多孔材料組成的反應(yīng)體系 進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)。
方法a中，反應(yīng)溫度為20—8(TC，反應(yīng)時間為1一30分鐘，優(yōu)選10-20分鐘； 所述堿性溶液的濃度為5-40wt%;堿性溶液選自氨水、甲胺的水溶液、乙胺的水溶液和乙二胺的水溶液中的至少一種；
方法b中，反應(yīng)時間為30—720分鐘，反應(yīng)溫度優(yōu)選200-30(TC，反應(yīng)氣氛為真 空度為O—l.O大氣壓的惰性氣氛或大氣氣氛，優(yōu)選1.0大氣壓的大氣氣氛。
在上述原位化學(xué)反應(yīng)完畢后，可用水洗或灼燒的方法除去反應(yīng)中殘留或產(chǎn)生的 其它化學(xué)物質(zhì)。
按照上述方法制備得到的納米復(fù)合材料及該材料在制備水處理材料尤其是重金 屬(如汞、砷和鎘中的至少一種)吸附材料中的應(yīng)用，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明利用多孔材料的孔道結(jié)構(gòu)和大比表面，將金屬氧化物的納米材料均勻附 載在多孔材料表面。該方法工藝簡單、安全、成本低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，反應(yīng)體系 中溶劑的毒性小，環(huán)境污染小，制備所得復(fù)合納米材料可用于吸附消除水中的重金 屬離子，效果突出，從而將不適于飲用的水資源提純?yōu)榉蠂覙?biāo)準(zhǔn)的可飲用水。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例； 本發(fā)明(包括下述實施例)中所有的溶液濃度均為質(zhì)量百分比濃度。 實施例1、
一、 制備納米復(fù)合材料
稱取250g分析純的九水硝酸鐵，溶解在600mL水中，得到九水硝酸鐵水溶液。 稱取lKg活性炭(購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司)，將該硝酸鐵溶液慢慢滴加并不斷 攪拌混合，最終加入1000mL上述硝酸鐵溶液，靜置一段時間后過濾分離得到含有 鐵鹽前體的活性炭。將其在300'C下空氣下加熱12h，使硝酸鐵分解得到負(fù)載氧化鐵 的活性炭。
二、 水處理試驗
用兩種重金屬離子含量不同的污水按照下述方法進(jìn)行水處理試驗。
1、
將上述負(fù)載氧化鐵的活性炭材料200克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備成 過濾柱。然后將1000毫升含有1.0 mg/L濃度的汞離子水溶液以2升/小時的流速均 勻流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的汞離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的汞離子濃度平均值為0.005 mg/L。
2、
將上述負(fù)載氧化鐵的活性炭材料200克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備成 過濾柱。然后將2000毫升含有10 mg/L濃度的砷離子水溶液以4升/小時的流速均勻 流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的砷離子濃度，實驗重復(fù)三次，得到處理后的汞離子濃度平均值為0.5 mg/L。 實施例2、
一、 制備納米復(fù)合材料
稱取50g分析純的九水硝酸鐵，溶解在600mL水中，得到九水硝酸鐵水溶液。 稱取lKg活性炭(購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司)，將該硝酸鐵溶液慢慢滴加并不斷 攪拌混合，最終加入lOOOmL上述硝酸鐵溶液，靜置一段時間后過濾分離得到含有 鐵鹽前體的活性炭。將其在通氮氣的條件下，50(TC加熱6h，使硝酸鐵完全分解得到 負(fù)載氧化鐵的活性炭。
二、 水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鐵的活性炭材料200克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為 過濾柱。然后將1000毫升含有1.0 mg/L濃度的汞離子水溶液以2升/小時的流速均 勻流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的汞離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的汞離子濃度平均值為0.01 mg/L。
實施例3、
一、 制備納米復(fù)合材料
向?qū)嵤├?中的含有鐵鹽前體的活性炭中加入200mL25y。的氨水于常溫(15-30 °C)充分?jǐn)嚢?0分鐘，過濾并水洗6次，將其在8(TC下空氣中烘干。
二、 水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鐵的活性炭材料200克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為 過濾柱。然后將2000毫升含有0.2 mg/L濃度的砷離子水溶液以4升/小時的流速均 勻流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的砷離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的砷離子濃度平均值為0.001 mg/L，符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
實施例4、
一、 制備納米復(fù)合材料
向?qū)嵤├?中的含有鐵鹽前體的活性炭中加入200mL 25%的甲胺溶液于常溫 (10-20°C)充分?jǐn)嚢?0分鐘，過濾并水洗5次，將其在25(TC下空氣中烘干。
二、 水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鐵的活性炭材料200克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為 過濾柱。然后將1000毫升含有1.0 mg/L濃度的汞離子水溶液以2升/小時的流速均勻流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的汞離子濃度，實驗重復(fù)三次，
得到處理后的汞離子濃度平均值為0.05 mg/L。 實施例5、
一、 制備納米復(fù)合材料
稱取500g分析純氯化鐵，溶解在300mL水中，得到氯化鐵水溶液。稱取1Kg 硅膠(購自北京化學(xué)試劑公司)，將氯化鐵溶液慢慢滴加并不斷攪拌混合，最終加 入1000mL溶液，靜置一段時間后過濾分離得到含有鐵鹽前體的硅膠。向含有鐵鹽 前體的硅膠中加入200mL 25%的氨水于常溫(15-30°C)充分?jǐn)嚢?5分鐘，過濾并 水洗多次，將其在8(TC下空氣中烘干。
二、 水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鐵的硅膠材料160克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為過 濾柱。然后將1000毫升含有0.2 mg/L濃度的砷離子水溶液以2升/小時的流速均勻 流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的砷離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的砷離子濃度平均值為0.005 mg/L，符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
實施例6、
一、 制備納米復(fù)合材料
稱取200g分析純硫酸鐵，溶解在300mL水中，得到硫酸鐵水溶液。稱取500 g 氧化鋁(購自北京化學(xué)試劑公司)，將硫酸鐵溶液慢慢滴加并不斷攪拌混合，最 終加入500mL溶液，靜置一段時間后過濾分離得到含有鐵鹽前體的氧化鋁。向含 有鐵鹽前體的氧化鋁中加入500mL25y。的氨水充分?jǐn)嚢?，過濾并水洗多次，將其 在8(TC下空氣中烘干。
二、 水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鐵的氧化鋁材料160克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為 過濾柱。然后將1000毫升含有0.2 mg/L濃度的鎘離子水溶液以1升/小時的流速均 勻流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的鎘離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的鎘離子濃度平均值為0.005 mg/L。
實施例7、
一、制備納米復(fù)合材料
稱取500g分析純六水硝酸鈽，溶解在300mL水中，得到硝酸鈰水溶液。稱取
61Kg硅膠，將硝酸鈰溶液慢慢滴加并不斷攪拌混合，最終加入lOOOmL溶液，靜置 一段時間后過濾分離得到含有鈰鹽前體的硅膠。將其在25(TC下空氣下加熱12h，得 到負(fù)載氧化鈰的硅膠。 二、水處理試驗
將上述負(fù)載氧化鈰的硅膠材料160克裝填到直徑6厘米的玻璃管中，制備為過 濾柱。然后將1000毫升含有0.2 mg/L濃度的砷離子水溶液以2升/小時的流速均勻 流過過濾柱。用元素分析儀分析通過過濾柱的水中的砷離子濃度，實驗重復(fù)三次， 得到處理后的砷離子濃度平均值為0.01 mg/L。
權(quán)利要求
1、一種制備納米復(fù)合材料的方法，包括如下步驟將金屬氧化物前體的溶液均勻負(fù)載于多孔材料的表面及孔道中，通過原位化學(xué)反應(yīng)將金屬氧化物前體轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬氧化物，得到所述納米復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述金屬氧化物前體為鐵、鈷、錫、鈦、鋅和鈰中任意一種金屬元素的硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物或醋酸鹽；所述多孔材料選自硅膠、活性炭、高嶺土、分子篩和氧化鋁中的至少一種；所述金屬氧化物前體的溶液中，溶劑選自水、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇和丙三醇中的至少一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述金屬氧化物前體的溶液的濃度為l-65wt。/。，優(yōu)選30—50%;所述金屬氧化物前體與所述多孔材料的質(zhì)量份數(shù)比為h 2-4;多孔材料的孔容為0.2-0.8 ml/g，比表面積為100-1500 m2/g。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述原位化學(xué)反應(yīng)的方法是下述方法a或方法b;方法a:向金屬氧化物前體和多孔材料組成的反應(yīng)體系中加入pH值為9一14的堿性溶液，進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)；方法b:在150-80(TC的條件下，將金屬氧化物前體和多孔材料組成的反應(yīng)體系進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法a中，反應(yīng)溫度為20—80°C，優(yōu)選30—50°C;反應(yīng)時間為1一30分鐘，優(yōu)選10—20分鐘；所述堿性溶液的濃度為5-40wt。/。，優(yōu)選20-30 wt%;所述方法b中，反應(yīng)時間為30—720分鐘，優(yōu)選200-250分鐘；反應(yīng)氣氛為真空度為O—l.O大氣壓的惰性氣氛或大氣氣氛，優(yōu)選1.0大氣壓的大氣氣氛。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于所述方法a中，堿性溶液選自氨水、甲胺的水溶液、乙胺的水溶液和乙二胺的水溶液中的至少一種；所述方法b中，反應(yīng)溫度為200-300°C 。
7、 權(quán)利要求l-6任一所述方法制備得到的納米復(fù)合材料。
8、 權(quán)利要求7所述納米復(fù)合材料在制備水處理材料中的應(yīng)用。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于所述水處理材料為重金屬吸附材料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于所述重金屬選自汞、砷和鎘中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。該方法，包括如下步驟將金屬氧化物前體的有機(jī)溶液均勻負(fù)載于多孔材料的表面及孔道中，通過原位化學(xué)反應(yīng)將金屬氧化物前體轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬氧化物，得到所述納米復(fù)合材料。本發(fā)明利用多孔材料的孔道結(jié)構(gòu)和大比表面，將金屬氧化物的納米材料均勻附載在多孔材料表面。該方法工藝簡單、安全、成本低，適于大規(guī)模生產(chǎn)，反應(yīng)體系中溶劑的毒性小，環(huán)境污染小，制備所得復(fù)合納米材料可用于吸附消除水中的重金屬離子，效果突出，從而將不適于飲用的水資源提純?yōu)榉蠂覙?biāo)準(zhǔn)的可飲用水。
文檔編號B82B3/00GK101638218SQ20091009054
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者萬立駿, 宋衛(wèi)國, 偉 李 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所