Fe3O4/聚吡咯磁性微球的制备及对镉离子的吸附性能研究

The goal of this program is to synthesize Fe3O4/polypyrrole magnetic nanospheres with multiple magnetite nano-cores, porous shell and high void space, which can effectively remove cadmium ions from industrial wastewater. The controlled Fe3O4 nanoparticles with high magnetic performance, monodispersity, fine particles, uniform size and regular morphology will be prepared. The microstructural morphology, interfacial interaction mechanism, functional groups on surface, and magnetic performance of the above magnetic microspheres will be investigated. On this basis, the structural - functional magnetic Fe3O4/PPy composite microspheres were successfully synthesized. The adsorption mechanisms and laws for the removal of cadmium(II) using nano- Fe3O4/PPy magnetic adsorbent will be revealed in micro level. The effect of solution pH value, initial concentration of cadmium ions, contact time, temperature of adsorption, coexisting ions and other factors on adsorption properties, as well as adsorption kinetics, thermodynamics and adsorption isotherm model will be studied. A novel magnetic adsorbent with large adsorption capacity, high removal rate, fast adsorption rate, easy separation, good stability, high recycling rate, selective adsorption for cadmium ions, no pollution to environment will be researched. It provides a theoretical basis and practical significance for the adsorption of cadmium ions in wastewater using magnetic nano-composites.

本项目旨在合成一种具有多个磁粒子核、多孔外壳和高空隙率的Fe3O4/聚吡咯磁性纳米复合微球，有效去除工业废水中的镉离子。寻求高磁性能、单分散性、粒径小、尺寸均一、形貌规整的Fe3O4纳米粒子的可控制备方法；考察并探索复合微球的微观形态结构、界面相互作用机理、表面功能性基团、磁性能等特性，合成出结构-功能一体化的磁性复合微球，从微观上揭示Fe3O4/PPy磁性纳米吸附剂对镉离子的吸附机制和规律。考察溶液pH值、初始离子浓度、接触时间、吸附温度、共存离子等因素对吸附性能的影响，以及吸附动力学、吸附热力学和吸附等温模型。研究并开发一种吸附量大，去除率高，吸附速率快，易于分离，稳定性好，重复利用率高，可选择性吸附镉离子，对环境无污染的新型磁性吸附剂，为磁性纳米复合材料用于吸附废水中的镉离子提供理论依据和实际应用意义。

重金属污染是全世界所面临的最严重的环境问题之一。许多工业随意排放的废水中含有大量的重金属离子，一旦进入水体、土壤等环境，就会对生态环境造成永久性污染和持续性破坏。本课题研究了一种具有多个磁核、多孔状聚吡咯（PPy）外壳、高空隙率的Fe3O4/PPy磁性纳米复合微球对水中镉离子（Cd2+）的吸附性能。首先分别采用共沉淀法和水热法分别制备得到粒径分布在5-30 nm或10 nm左右的Fe3O4纳米粒子和粒径在200 nm左右Fe3O4纳米微球。通过在Fe3O4纳米粒子外继续包覆聚吡咯或先包覆SiO2再包覆PPy，以及氧化石墨烯（GO），分别制备得到了不同结构和性能的Fe3O4/聚吡咯磁性纳米复合材料、Fe3O4/PPy磁性纳米复合微球、Fe3O4/SiO2复合微球，Fe3O4/SiO2/聚吡咯复合材料和Fe3O4/PPy/GO等复合物。Fe3O4/PPy磁性纳米复合微球对水中Cd2+的吸附能力会随着温度的升高、pH值的增大，以及Cd2+初始浓度的增大而增大，在298 K、pH为7，Cd2+的初始浓度为200 mg/L的条件下，Fe3O4/PPy磁性纳米复合微球的对水中Cd2+的吸附量为13.382 mg/g。还研究了Fe3O4/SiO2复合粒子对水中Cd2+的吸附性能，随着SiO2包覆量的增大，SiO2壳层厚度增大，内核中包埋的Fe3O4粒子数量增多，Fe3O4/SiO2复合粒子尺寸随着增大，由50 nm左右增大到300 nm左右，Fe3O4/SiO2复合粒子的吸附率随着SiO2包覆量的增多而逐渐增大，包覆量最大时达到最佳吸附率，为91.0%。这一项目的研究，将为有效去除废水中的镉离子奠定技术基础，为改善全球水资源环境有着重要的基础研究意义。项目资助发表10篇学术研究论文，其中被SCI收录5篇，获国家发明专利授权2项，培养硕士研究生4名。