共沉淀法制備氧化鎂及其對甲基橙的吸附研究

＊史正晨

（青海師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 青海 810008）

目前，很多人利用不同的制備方法制備出不同形貌的氧化鎂，并研究其吸附催化性能。劉家輝等人[1]介紹了以菱鎂礦等為原料，采用不同的技術(shù)制備氧化鎂，并且對各種制備氧化鎂的方法進(jìn)行了分類和評價(jià)。Zhen-XingTang等人[2]利用超聲法制備納米氧化鎂，并對其進(jìn)行了TGA、XRD、TEM表征，并通過對一些影響納米氧化鎂粒徑的因素的分析，找到了制備氧化鎂的更優(yōu)級的方法，可以獲得4納米的氧化鎂。任雪潭等人[3]利用微波法煅燒草酸鎂制備區(qū)別于其他傳統(tǒng)煅燒方法所得到的立方晶系的氧化鎂，研究了微波功率對草酸鎂分解率的影響，并通過XRD進(jìn)行表征；結(jié)果表明利用微波輻射煅燒后產(chǎn)物結(jié)晶度好，反應(yīng)時(shí)間也變短了。宋士濤[4]溶膠凝膠法制備得到氧化鎂，并對其進(jìn)行了TGA、XRD、TEM表征，得到立方相氧化鎂納米微粒。共沉淀法本是各種反應(yīng)方法中最簡單的一種，所以適用的范圍也最廣，但同樣的受限條件也比較多，所以朱志彪等人[5]則采用均勻沉淀法制備了氧化鎂的超細(xì)粉體，并且對制備氧化鎂的影響因素進(jìn)行了探究和討論，發(fā)現(xiàn)表面活性劑的存在可能會(huì)抑制晶粒的生長。

隨著廢水排放標(biāo)準(zhǔn)被相關(guān)單位管控的越來越嚴(yán)格，水資源回收再利用的緊迫性日益增加，尋求和研究廉價(jià)、高性能的新型吸附材料就顯得尤為重要[6-8]。處理染料廢水，吸附法具有很大的優(yōu)勢[9-13]。此論文將以更簡單而成本低的共沉淀法制備氧化鎂，并用于染料的吸附研究，以氧化鎂為主要研究對象，合成了一種新型高效環(huán)保型復(fù)合材料。對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征，并將其作為一種簡單有效的吸附方法用于有機(jī)染料的吸附性能研究。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)試劑

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

(2)實(shí)驗(yàn)儀器

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

(3)氧化鎂納米材料的制備

①實(shí)驗(yàn)步驟

在電子天平上稱取6.099g的水氯鎂石于250mL燒杯中，加入去離子水100mL攪拌至溶解，按上述方法再稱量3.18g Na2CO3溶解于100mL去離子水中。再在恒溫水浴鍋中加熱到50℃，然后將水氯鎂石溶液置于50℃的恒溫磁力攪拌器上攪拌，將無水碳酸鈉溶液在4～5s的時(shí)間內(nèi)迅速加入到上述水氯鎂石溶液中，繼續(xù)攪拌2h。最后將所收集產(chǎn)物利用抽濾泵進(jìn)行抽濾（先用去離子水進(jìn)行清洗3次，再用無水乙醇洗滌至無其他明顯可溶于乙醇雜質(zhì)為止），再在70℃真空干燥箱中干燥12h，得到前驅(qū)體。用研缽研磨所制備的前驅(qū)體至粉末狀放入坩堝中，置于馬弗爐550℃焙燒3h，冷卻至室溫后取出得到氧化鎂納米材料，將氧化鎂放入塑封袋保存。

②氧化鎂的表征

A.紅外表征

固體樣品制備：將干燥好的氧化鎂和溴化鉀按照1:100的比例，稱取氧化鎂0.002g，溴化鉀0.002g，將二者置于紅外燈下用瑪瑙研缽研至細(xì)化。再將樣品放于壓片膜具中壓片，壓至有通明的狀態(tài)即可。然后進(jìn)行樣品測試，掏出良好的壓片放在樣品支架中，進(jìn)行掃描測定，保留下載數(shù)據(jù)，繪制譜圖。紅外光譜圖通常以波長（λ）或波數(shù)（σ）作為水平坐標(biāo)，表示吸收峰的位置，以透射率（t%）或吸收率（a%）作為垂直坐標(biāo)，表示吸收強(qiáng)度，然后進(jìn)行圖譜解析。

B.電鏡表征

采用日本株式會(huì)日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所的TM4000PLUS型掃描電子顯微鏡（SEM）在5kV的加速電壓下對所制備的氧化鎂進(jìn)行形貌分析表征。

(4)吸附實(shí)驗(yàn)

①標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

制備400μg/mL的甲基橙溶液，分別將其稀釋至8μg/mL、13μg/mL、18μg/mL、23μg/mL、28μg/mL濃度，用紫外可見分光度計(jì)在最大吸收波長處測定溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。由標(biāo)準(zhǔn)工作曲線可計(jì)算待測染料溶液的濃度。

②靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

移取一定濃度的甲基橙溶液于錐形瓶中，加入準(zhǔn)確稱量的氧化鎂。放在恒溫磁力攪拌器上，恒溫?cái)嚢枰欢〞r(shí)間（2h左右）。經(jīng)過離心分離后，取一定量的上清液，測定溶液中剩余甲基橙溶液的濃度，按式（1）、式（2）計(jì)算氧化鎂對甲基橙溶液的吸附量和脫色率。

其中：qt代表不同時(shí)間段的吸附量；

C0和Ct分別表示甲基橙溶液吸附前后的濃度，mol/L；

V是甲基橙溶液的體積，L；

m是氧化鎂的加入量，g。

其中：R（%）代表脫色率；

C0和Ct分別表示甲基橙溶液吸附前后的濃度，mol/L。

③吸附時(shí)間的影響

配制200μg/mL甲基橙溶液，稱取0.1g的氧化鎂納米材料，將其加入到250mL甲基橙溶液中，常溫25℃下攪拌90min，分別在5min、15min、30min、45min、60min、75min、90min下吸取其懸濁液1mL，置于離心機(jī)4000r/5min進(jìn)行離心1min，測其吸光度，按式（1）計(jì)算吸附量，按式（2）計(jì)算脫色率。

2.結(jié)果與討論

(1)表征結(jié)果分析

①紅外表征

圖1是利用共沉淀法獲得氧化鎂的傅里葉紅外光譜，圖中主要存在著三個(gè)明顯的紅外吸收峰分別在3429cm-1處的強(qiáng)紅外吸收峰可能是由材料中的存在的羥基或者環(huán)境中水分子中的羥基的拉伸振動(dòng)所導(dǎo)致的，在2900cm-1附近處有一個(gè)吸收的雙峰這可能是存在著一些有機(jī)前驅(qū)體沒有反應(yīng)完所導(dǎo)致的，是由甲基和亞甲基中的C-H鍵的對稱非對稱振動(dòng)所引起的。1466cm-1處的吸收信號(hào)是由羧基中的COO-的對稱伸縮振動(dòng)引起的，在865cm-1處的信號(hào)是由碳酸根的吸收振動(dòng)引起的，Mg-O鍵的吸收振動(dòng)在五百左右，在測試的范圍內(nèi)已經(jīng)呈現(xiàn)出趨勢，用紅外光照射分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)發(fā)生振動(dòng)吸收。在制備氧化鎂時(shí)其他物質(zhì)的特征峰已出現(xiàn)，但可能氧化鎂的含量不多，所以有些特征峰被掩蓋了，只剩下后面的一點(diǎn)趨勢峰。

圖1 氧化鎂紅外譜圖

②SEM表征

圖2中（a）和（b）均為所制備的氧化鎂的掃描電鏡照片，其中（a）為棒狀材料在低倍數(shù)下的掃描電鏡照片，從圖中很明顯可觀察到制備的氧化鎂為棒狀材料。（b）為單個(gè)棒狀氧化鎂局部放大圖，從（b）中我們發(fā)現(xiàn)這些棒狀材料的表面覆蓋著很多納米顆粒但若要證明納米顆粒是否為氯化鎂，還需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步佐證。

圖2 氧化鎂SEM圖

(2)吸附實(shí)驗(yàn)分析

①標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖3可知，相關(guān)系數(shù)R2＞0.99，說明工作曲線線性關(guān)系很好，符合朗伯比耳定律。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

②吸附時(shí)間的影響

在時(shí)間5～90min范圍內(nèi)，考察了攪拌時(shí)間對于吸附量和脫色率的影響，見圖4和圖5，可知，在5～75min范圍內(nèi)，吸附量和脫色率隨著時(shí)間的增大逐漸增大，而在75min達(dá)到吸附量最大值446mg/g，脫色率達(dá)到90%后，吸附量和脫色率又隨著時(shí)間的增大而減小。故而發(fā)現(xiàn)，隨著吸附時(shí)間的增加，氧化鎂對甲基橙溶液吸附性能先增大后減小。

圖4 吸附時(shí)間對吸附量的影響

圖5 吸附時(shí)間對脫色率的影響

3.結(jié)論

以水氯鎂石為鎂源，以無水碳酸鈉為沉淀劑利用共沉淀法制備得到氧化鎂吸附劑，然后利用傅里葉紅外光度儀在4000～400cm-1波長范圍內(nèi)進(jìn)行紅外表征，結(jié)果表明Mg-O鍵的吸收振動(dòng)在測試的范圍內(nèi)已經(jīng)呈現(xiàn)出趨勢但并沒有完全的顯現(xiàn)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）在5kV的加速電壓下對所制備的氧化鎂進(jìn)行形貌表征可以看出所制得的氧化鎂形貌為棒狀。而吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明氧化鎂對甲基橙溶液的吸附性能，其吸附量最高達(dá)446mg/g，脫色率高達(dá)90%。而羅凡[14]對于不同初始濃度下測試氧化鎂甲基橙的吸附性能的研究中發(fā)現(xiàn)其吸附量最高明增至195mg/g左右。