核壳结构的NiFe@SiO2新型复合磁性纳米吸附材料的制备及吸附机理研究

In this application, a type of new composite adsorption materials NiFe@SiO2 with core-shell structure is synthesized. Through study on the synthetic mechanism, the optimized design and controlled synthesis of the materials are realized. The nano SiO2 shell has a big specific surface area, which can help to improve the absorption performance of materials. The magnetic core in the structure can help to strengthen stirring then enhance the adsorption efficiency of absorbents, improve efficiency and effectiveness of separation in magnetic field, and avoid the secondary pollution brought by the dissolving of nano particles in solution. The adsorption mechanisms of the composite adsorbents over different types of pollutants are investigated. The preparation probability of these composite absorbents is explored using laterite nickel ore as raw material. Some different items are investigated, such as the effects of the impurity elements on the structure and properties of magnetic materials, the deviation and revision of the regulatory mechanisms in the complicated systems, and comparing the absorption performance of absorbents taking laterite nickel ore and pure chemicals as raw materials respectively. This research can provide a new way for the efficient utilization of metallurgical resources.

本项目提出制备具有核壳结构的NiFe@SiO2新型复合磁性纳米吸附材料，通过对合成机理的研究实现该材料的优化设计与可控合成。该复合材料中的纳米二氧化硅包覆层具有较大的比表面积，有助于提高材料的吸附性能。磁性核有助于强化搅拌以提高吸附效率，在磁场作用下能提高分离效率与效果，可防止纳米材料在溶液中的溶解，避免二次污染。研究该复合吸附材料对水中各种污染物的吸附机制。探索以红土镍矿为原料制备此类复合吸附剂的可能性，研究杂质元素对材料结构与性能的影响，研究各调控机制在复杂体系中的偏离与修正, 并与以纯物质为原料所得复合吸附剂吸附性能进行对比。此部分研究可为冶金资源的综合利用提供新的途径。

随着社会发展，我们不得不面对越来越严峻的水污染和越来越多工业废弃物排放所带来的双重压力。本项目以“废”治污的思路为出发点，致力于将传统的镍冶金废弃物转化为可用于水污染治理的磁性复合吸附材料，为冶金废弃物的利用开拓新思路。.以水合肼作还原剂水热合成镍铁双金属磁性核，各因素对于产物性能均有影响，尤以初始镍铁比和添加剂用量两因素更为显著。a）当初始镍铁比中Ni占比大于75%时，还原按化学计量比进行。Ni离子优先被还原并成为生长点，亚铁离子在镍催化作用才能被还原。镍、铁围绕镍生长点形成以镍为基的镍铁置换固溶体合金；随着反应体系Ni含量的降低，反应按非化学计量比进行，产物出现镍离子部分取代二价铁的镍铁反尖晶石相，直至全部产物为四氧化三铁相。b）以柠檬酸钠为表面活性剂，其含有的三个羧酸根可控制产物形貌，通过pH调控可实现纳米颗粒与纳米线之间的组装，有开发为分子开关的可能。.二氧化硅包覆磁性复合颗粒的形成机制为水解生成的二氧化硅小颗粒优先在磁性颗粒表面形成生长点，并沿着生长点做羽毛状生长，最后逐渐在相邻羽毛状间沉积形成包覆。.以矿为原料制备的吸附剂其吸附能力小于纯化合物所得吸附剂。这是因为以矿为原料，其中含有的杂质会优先形成生长中心，使颗粒粒径增加，比表面积减少，吸附能力降低。.磁性复合吸附剂对于镍离子、铜离子的吸附更倾向于Langmuir模型，即单层吸附；对于铬酸根离子、有机胺，罗丹明B的吸附更符合Freundlich模型，是多层吸附。磁性复合吸附剂对所有研究污染物的吸附均符合准二级动力学模型，为自发的吸热过程。.项目研究明确了镍铁双金属产物的形成机理，确定了二氧化硅与镍铁磁性核的复合机理；确定了复合吸附剂对不同污染物的吸附机理，为强化吸附、脱附、吸附剂再生等过程提供理论依据；确定了以红土镍矿为原料制备磁性复合吸附剂的技术路线，并将其应用于污染物的处理，将传统冶金过程中的废弃物转化为治理水污染的产物，为资源的高附加值利用提供技术原型。