超声法制备磁性分子筛及其性能研究

2019-05-31杨建利杨小刚李刚于春侠

应用化工 2019年5期

杨建利，杨小刚，李刚，于春侠

(西安科技大学化学与化工学院，陕西西安 710054)

近年来，分子筛因其优异的性能被广泛应用于吸附分离[1]、离子交换[2]和洗涤剂[3]领域等，对水质净化有着十分重要的意义。磁性分子筛[4-5]是在分子筛的制备基础上，加入磁性材料对分子筛进行修饰，国内外学者对新类型分子筛[6-9]的研究从来未停止过。本研究利用超声法将分子筛与磁性四氧化三铁复合来制备磁性的分子筛具有广阔的研究前景。在制备磁性分子筛的过程中通过使用超声波同时加入导向剂，既可以提高分子筛制备的速度，节约能源且环保，并且有可能制备出超微分子筛，使得制备出的分子筛粒径更小，吸附效果好[10]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

铝酸钠，化学纯；硅酸钠、氢氧化钠、三氯化铁、氯化亚铁、硝酸铅均为分析纯。

KQ-2200E型超声波清洗器；XRD-7000型X射线衍射仪；JSM-6460LV型扫描电子显微镜；ALPHA型傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 磁性4A分子筛的制备

1.2.1 磁性四氧化三铁的制备称取3.44 g FeCl2·4H2O和9.44 g FeCl3·6H2O，加入到500 mL的三口烧瓶中，加入160 mL去离子水，通入N2除氧，以防止氧化反应发生，以匀速800 r/min进行机械搅拌；匀速升温至80 ℃时，逐滴加入20 mL的NH3·H2O，反应30 min。冷却后用磁铁进行分离，倒出上层清液，得到黑色磁性Fe3O4纳米粒子，用去离子水和无水乙醇反复多次洗涤，产物70 ℃干燥。

1.2.2 磁性4A分子筛的制备

1.2.2.1 导向剂的制备准确称取17.7 g硅酸钠，溶于27 g的蒸馏水中，记为溶液A。准确称取铝酸钠1.64 g，氢氧化钠4.8 g，将其溶于30 g蒸馏水中，记为溶液B。在常温剧烈搅拌下，将溶液B缓慢加入溶液A中，持续搅拌30 min，并在常温下陈化18 h。

1.2.2.2 磁性4A分子筛的合成采用超声波合成法，以铝酸钠为铝源，硅酸钠为硅源，水为溶剂，氢氧化钠为碱源。以一定摩尔比3∶1∶2∶185的Na2O∶Al2O3∶SiO2∶H2O为原料，在制备分子筛的过程中，反应容器置于超声波清洗器中，在超声振荡时加入四氧化三铁分散液(质量分数10%)和导向剂，控制超声波温度80 ℃和反应时间6 h，制备出磁性4A分子筛。

1.3 磁性4A分子筛对铅离子的吸附

以硝酸铅和去离子水配制铅离子溶液的初始浓度为200 mg/L，用醋酸溶液(0.5 mol/L)和醋酸钠溶液(0.5 mol/L)调节铅离子溶液的pH=5。带有橡皮塞的广口锥形瓶，加入铅离子溶液50 mL，放入5.0 g/L的磁性4A分子筛，在恒温30 ℃下放入超声波场中吸附15 min。将锥形瓶取出，用长颈漏斗将吸附剂和上清液分离，用可见分光光度计测量上清液中铅离子的吸光度(A)，带入铅离子的标准曲线，计算出铅离子的平衡浓度，计算吸附剂对铅离子的吸附效率和吸附量。

2 结果与讨论

2.1 磁性四氧化三铁的表征

2.1.1 XRD分析图1为磁性四氧化三铁的XRD图谱。

图1 四氧化三铁的XRD图谱

通过查阅文献资料可知，Fe3O4典型的特征衍射峰为2θ=31，36，53，57，63°。与标准的四氧化三铁XRD图谱对比，可以看出本研究合成的四氧化三铁的结晶程度较好。

2.1.2 红外分析磁性四氧化三铁样品的红外图谱见图2。

图2 四氧化三铁的红外图谱

由图2可知，实验样品的图谱与四氧化三铁的标准红外图谱对比，具有很相似的红外骨架振动谱带。

2.2 磁性4A分子筛的表征

2.2.1 XRD分析合成的常规4A分子筛和磁性4A分子筛的XRD衍射图谱见图3。

图3 常规4A分子筛和磁性4A分子筛的X射线衍射图谱

由图3可知，合成的4A分子筛与标准图谱相吻合，结晶程度较好。常规4A分子筛复合磁性四氧化三铁以后，样品特征衍射峰的位置基本保持不变，可以看到9个强度高的特征衍射峰。说明复合过程中4A分子筛的晶体结构没有被破坏，仍然保持原来的特征结构，XRD图谱中找不到磁性四氧化三铁的特征衍射峰。

2.2.2 SEM分析图4为超声法合成的磁性4A分子筛的SEM图。

由图4可知，大部分的磁性4A分子筛颗粒呈现规则的立方体形，结晶程度较好，粒径较均匀。图中部分颗粒形貌出现转变，颗粒之间有团聚现象，可能是随着四氧化三铁的引入，磁性4A分子筛颗粒边缘棱角出现了平滑或粗糙的趋势。超声法合成的磁性4A分子筛粒径在1.0～2.0 μm，研究基本达到了合成的初步目的，引入了磁性四氧化三铁颗粒，基本没有破坏分子筛的晶体结构，获得了结晶度较好、粒度较均匀的磁性4A分子筛。