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随着材料科学的发展,纳米科技与磁性材料紧密结合,为新型功能材料的开发提供了前景。纳米Fe3O4因其强大的磁性在医学领域、生物材料方面应用广泛,又因铁的氧化还原性对废水中重金属等具有良好的处理效果;同时,纳米材料具备的尺寸效应使之表面积增大,具有一定吸附作用;其表面包覆合适的活性剂制备得到的磁性液体也是良好的功能材料。矿产资源中的大量铁元素因其廉价性和工艺限制造成大量流失,利用金精矿氰化尾渣预处理氧化液制备纳米Fe3O4及磁流体符合资源化利用原则。
本研究采用P204-仲辛醇协同萃取体系从金精矿氰化尾渣氧化液中萃取分离铁,初步研究其萃取机理,并考察萃取体系、P204浓度和料液初始pH值、含铁浓度及加入介质NaCl等对Fe(Ⅲ)萃取的影响以及相比(O/A)、H2SO4浓度对Fe(Ⅲ)反萃的影响。研究表明:P204和仲辛醇对酸浸液中的Fe(Ⅲ)具有一定协同萃取效应,仲辛醇作为萃取体系中的相转移试剂,尤其能改善铁的反萃效率。P204、仲辛醇以及260#溶剂油以1∶1∶2的体积比混合作为萃取体系,在相比为2的条件下,调整含铁10.18g/L的原酸浸液的pH值接近2.0,经过1级萃取,萃余液中含铁浓度低于0.25g/L;以25%(体积分数)的H2SO4反萃取,有机相中的铁基本被反萃完全。通过萃取和反萃取,铁离子溶液中杂质含量大大减少。
在此基础上,本文以金精矿预处理氧化液为原料,分别利用溶剂萃取法和分布沉淀法提纯得到含杂较少的铁盐溶液,再通过添加铁粉还原共沉淀制备得到纳米Fe3O4粒子,考察两种分离方法对其粒径和磁性能的影响,并以X-射线衍射、TEM及VSM对其进行表征。结果表明:分步沉淀法提纯氧化液得到的纳米Fe3O4粒径约为20nm,具有超顺磁性,饱和磁化强度达到58.72emu/g,比表面积235m2/g,优于溶剂萃取法制备得到的纳米Fe3O4。利用最优条件制备得到的Fe3O4纳米粒子降解甲基橙考察其吸附性能及其影响因素,并与其他吸附剂做对比研究。结果表明:纳米Fe3O4对高浓度的甲基橙废水的吸附效果较好,酸性低温条件下加入纳米Fe3O4质量是甲基橙的200倍时,吸附率达到90%左右。该吸附过程为自发放热反应,其平衡吸附量q与平衡质量浓度Ce之间的关系较好的符合Langmuir等温线,属于单分子层吸附。同时,其吸附效果弱于活性炭,强于高岭土,但其具有磁性便于与目标溶液分离,并加入一定碱液处理后易于再生二次利用。
在制备磁流体的过程中,利用油酸包覆纳米Fe3O4的最优条件为:温度70℃,混合时间45min,pH=7.9,二者的质量比接近2.9。TEM表征包覆油酸后的磁性颗粒粒径增大,分散良好;VSM表征其饱和磁化强度从58.72 emu/g降到24.2 emu/g; FTIR谱图前后的变化说明油酸通过化学吸附包覆在纳米颗粒表面,并形成了R-COOH-Fe3O4复合物。TG曲线中显示的两个失重阶段进一步验证包覆过程存在化学吸附,同时显示包覆油酸的质量分数约为75.3%,与最优包覆条件下的包覆率基本保持一致;Zeta电位分析表明纳米颗粒表面带正电,油酸带负电,这说明纳米Fe3O4颗粒与表面活性剂油酸之间不仅存在化学吸附作用,还存在电荷作用。当纳米磁性Fe3O4颗粒与载液DOP的质量比为0.06~0.07时,制备得到的磁流体粘度最小、磁性最大。通过磁特性和红外光谱图分析,制备得到的油基磁流体的最大饱和磁化强度显著下降,同时也出现了DOP的特征峰。通过红外光谱图分析可知,利用磁流体处理印染废水时未发生化学变化,主要依靠离子、氢键及范德华力产生一定的吸附作用,其色度去除率为85~95%。