磁性纳米颗粒Fe3O4的醇改性制备机理及应用

doi:10.7503/cjcu20210077

摘要/Abstract

摘要：

利用化学沉淀法, 以乙二醇(EG)、聚乙二醇(PEG)和甘露醇(D-M)分别为表面改性剂制备了改性的Fe₃O₄颗粒(分别命名为E-Fe₃O₄, P-Fe₃O₄和D-Fe₃O₄). 实验结果显示, 醇类分子能成功地修饰在Fe₃O₄颗粒表面, 但未改变其形貌、大小、晶相和磁性．采用傅里叶变换红外光谱、离子选择性电极法、 Zeta电位和接触角等手段研究其改性机理, 发现P-Fe₃O₄和D-Fe₃O₄样品表面醇修饰与水分子介导的氢键有关, E-Fe₃O₄则通过表面羟基直接与乙二醇形成了更稳定的氢键, 即使经热处理(120 ℃)乙二醇分子仍被固定在Fe₃O₄表面. 表面带有疏水基团的E-Fe₃O₄具有适中的亲水性(接触角32.92°)和水中分散性(粒径200~300 nm). 带负电荷的E-Fe₃O₄被应用于水中阳离子染料结晶紫(CV)的吸附和磁性分离, 对CV吸附量为19.33 mg/g, 是未改性前(8.41 mg/g)的2.3倍, 通过外加异丙醇可以促进CV脱附．

关键词: 四氧化三铁, 醇类改性, 分散性, 去除, 结晶紫

Abstract:

Herein， modified Fe₃O₄ particles（named as E-Fe₃O₄， P-Fe₃O₄ and D-Fe₃O₄， respectively） were prepared by chemical precipitation method using ethyleneglycol（EG）， polyethylene glycol（PEG） and mannitoll（D-M） as the separated modifier. The results showed that the alcohol molecules can be successfully modified on the surface of Fe₃O₄ particles， and the morphology， size， crystal phase and magnetic properties of Fe₃O₄ particles are not significantly affected. Modification mechanisms of Fe₃O₄ samples are studied by Fourier transform infrared spectroscopy， ion selective electrode method， Zeta potential and water contact angle tests. It is shown that the modification mechanism of P-Fe₃O₄ and D-Fe₃O₄ samples are associated with the hydrogen bonding of water molecules mediated， while more stable hydrogen bond can be formed between ethylene glycol and hydroxyl group on the surface of E-Fe₃O₄. Consequently， ethylene glycol was still fixed on the surface of Fe₃O₄ even under high temperature treatment（120 ℃）. E-Fe₃O₄ with hydrophobic group on the surface exhibits optimal hydrophilicity（contact angle was 32.92°） and water dispersion behavior（diameter was about 200―300 nm）. E-Fe₃O₄ with negative surface charge can be applied to remove cationic dye crystal violet（CV） from water and adsorption capacity was 19.33 mg/g， which was 2.3 times of that pristine Fe₃O₄（8.41 mg/g）. Besides， the addition of isopropanol is beneficial for CV desorption. This study not only provides a new method for preparing magnetic nano-Fe₃O₄ adsorption material， but also provides a theoretical basis for its application in the separation and adsorption of dye wastewater.

Key words: Fe₃O₄, Alcohol modification, Dispersion behavior, Remove, Crystal violet

中图分类号:

O647

TrendMD:

徐艳, 杨宏国, 牛慧斌, 田海林, 朴红光, 黄应平, 方艳芬. 磁性纳米颗粒Fe₃O₄的醇改性制备机理及应用. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2564.

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图/表 11

Fig.1 SEM images(A―D) and N2 adsorption?desorption isotherms(E) of magnetic Fe3O4 nanoparticles(A) Fe3O4; (B) E?Fe3O4; (C) P?Fe3O4; (D) D?Fe3O4.

Fig.2 XRD(A) and saturation magnetization patterns(B) of magnetic Fe3O4 nanoparticles

Fig.3 FTIR spectra of different magnetic Fe3O4 nanoparticles

Fig.4 Modification mechanism of Fe3O4 surface to alcohol(A) E?Fe3O4; (B) P?Fe3O4, D?Fe3O4.

Fig.5 Active sites of magnetic Fe3O4 samplesa. Fe3O4; b. Fe3O4?1; c. E?Fe3O4; d. E?Fe3O4?1; e. P?Fe3O4; f. P?Fe3O4?1; g. D?Fe3O4; h. D?Fe3O4?1.

Fig.6 Water contact angles of different magnetic Fe3O4 nanoparticles(A) Fe3O4; (B) E?Fe3O4; (C) P?Fe3O4; (D) D?Fe3O4.

Fig.7 Particle size distributions of different magnetic Fe3O4 nanoparticles(A) Fe3O4; (B) E?Fe3O4; (C) P?Fe3O4; (D) D?Fe3O4．

Fig.8 Sedimentation mode of modified magnetic nanoparticles

Fig.9 Adsorption ability of different samples for CV over time(A), the Zeta potential of different magnetic Fe3O4 nanoparticles(B), plots of pseudo?first?order kinetic of CV(C), and pseudo?second?order kinetic by E?Fe3O4(D)t: 25 ℃; pH: 9; dosage: 20 mg; c0(CV)=30 mg/L; V: 40 mL.

Table 1 Adsorption kinetic parameters of CV on magnetic E-Fe3O4 nanoparticles*

c₀/(mg·L^-1)	q_e，exp/（mg·g^-1）	Pseudo?first?order rate equation			Pseudo?second?order rate equation
c₀/(mg·L^-1)	q_e，exp/（mg·g^-1）	q_e，cal/（mg·g^-1）	k₁/h^-1	R²	q_e，cal/（mg·g^-1）	k₂/（g·mmol^-1·h^-1）	R²
30	19.33	6.17	0.08826	0.7385	25.04	0.0444	0.9978

Fig.10 Removal efficiency of magnetic E?Fe3O4 nanoparticles for RhB, MB and SRB(A), magnetic separation(B), effect of pH on magnetic E?Fe3O4 nanoparticles desorption(C) and influence of different solvents on magnetic E?Fe3O4 nanoparticles desorption(D)(A) pH: 6, time: 12 h, c(E?Fe3O4)=0.5 g/L.(D) V: 10 mL, time: 5 h, c(E?Fe3O4)=1 g/L. a. 2.5 mL ethanol; b. 2.5 mL acetone; c. 2.5 mL isopropanol; d. 1 mL isopropanol; e. 5 mL isopropanol.Inset of (A): molecular structures of RhB, MB and SRB.

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磁性纳米颗粒Fe₃O₄的醇改性制备机理及应用

Preparation Mechanism and Application of Alcohol⁃modified Fe₃O₄ Magnetic Nanoparticles

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