CN103949218B - 一种改性石墨烯吸附剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性石墨烯吸附剂及其制备方法与应用。改性石墨烯吸附剂的制备方法为：将氧化石墨烯超声分散后加入羟基铝和表面活性剂，充分搅拌后再加入还原剂，充分反应后将得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到改性石墨烯吸附剂；所述表面活性剂包括聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基苯磺酸钠中的一种以上。本发明的改性石墨烯吸附剂具有简单易得、吸附量大且去除率高等特点，可应用于废水特别是酸性染料废水的处理；采用的原料廉价易得，制备工艺简单且无污染，成本低，易于工业化。

Description

一种改性石墨烯吸附剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及水污染处理领域，具体是涉及一种改性石墨烯吸附剂及其制备方法与应用。

背景技术

染料废水对环境的污染随城市和工业的发展日趋严重。染料废水因其成分复杂、色度深、有机污染物含量高、可生化性差、难降解且大多数染料及其代谢中间产物具有致突变性、致癌性和其他毒性，严重影响了生态环境及人类健康，对其进行相应的处理已成为环保关注的热点。刚果红为典型的联苯胺偶氮阴离子型染料，是印染废水中具有代表性的污染物之一。目前, 工业上常用的处理染料废水的方法有生物处理法、化学氧化法、絮凝沉淀法、吸附法、光催化降解法等, 相对于其它处理方法，吸附法凭借其治理费用低廉，操作性强，易于设计运行，对有毒污染物不敏感及不产生二次污染物等优点，成为目前极具发展潜力的除去废水中难生物降解污染物的一个有效方法，而改善吸附法的关键在于开发更加高效、环保、价廉的新型吸附材料。

当前，大量的吸附材料被报道用来去除水体中的染料，例如活性炭、粉煤灰、生物质吸附剂等。由于具有极大的比表面积，纳米材料被视为一种更高效率的吸附材料，有利于去除水溶液中的有机污染物。自从石墨烯被首次研制出来后，由于其优异的物理化学性质，如极大的比表面积、优异的机械强度、高电导率与热导率等，在化学电源、光电子器件和多相催化等领域已获得了广泛的关注。然而，虽然已有研究表明石墨烯可以去除水中污染物，但是石墨烯的团聚作用，不仅减少了石墨烯的比表面积，还不利于分散在溶液中，这限制了其在水溶液中对污染物的去除应用。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种高效、绿色、经济、环保的改性石墨烯吸附剂。

本发明的目的之二在于提供上述改性石墨烯的制备方法，工艺简单、条件易控、适于规模化生产。

本发明的目的之三在于提供上述改性石墨烯在处理含酸性染料废水中的应用。

本发明提供一种改性石墨烯吸附剂的制备方法，制备方法如下：将氧化石墨烯超声分散后加入羟基铝和表面活性剂，充分搅拌后再加入还原剂，充分反应后将得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到改性石墨烯吸附剂；所述表面活性剂包括聚丙烯酰胺（PAM），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）或十二烷基苯磺酸钠（SDBS）中的一种以上。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种改性石墨烯吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散后制得氧化石墨烯悬浮液；

（2）在步骤（1）得到的氧化石墨烯悬浮液中加入羟基铝和表面活性剂，充分搅拌，完全反应后得到反应溶液；

（3）将步骤（2）得到的反应溶液加热至80℃~85℃，加入还原剂，充分反应后得到黑色絮状沉淀；所述还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾中的至少一种；所述还原剂的质量为氧化石墨烯质量的9～11倍；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到改性石墨烯吸附剂。

上述制备方法中，步骤（1）中所述超声分散的时间为30 min～60 min；所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为4 mg/mL～6 mg/mL。

上述制备方法中，步骤（2）中所述表面活性剂包括聚丙烯酰胺（PAM），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）或十二烷基苯磺酸钠（SDBS）中的一种以上；所述羟基铝、氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为2∶3∶（8～10）；所述反应具体为在60℃~65℃条件下反应3h～5h，得到反应溶液。

上述制备方法中，所述羟基铝的制备方法如下：

在机械搅拌的条件下，将氢氧化钠溶液滴加到三氯化铝溶液中，反应完全后静置3天，得到羟基铝溶液, 其中所述氢氧化钠与三氯化铝的质量比为（0.5～1）∶1。

一种改性石墨烯吸附剂，所述改性石墨烯吸附剂包含石墨烯、羟基铝和表面活性剂，其中所述羟基铝、氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为2∶3∶（8～10）。所述羟基铝通过化学键作用插入层状的氧化石墨烯边缘或表层；所述羟基铝通过化学键作用镶嵌在层状的氧化石墨烯的边缘或表层。

一种改性石墨烯吸附剂的应用于含酸性染料废水的处理，具体应用于去除去含酸性染料水溶液中的刚果红。

上述应用中，所述去除水溶液中的刚果红，具体步骤如下：

每升含酸性染料水溶液中加入1 g～2 g改性石墨烯吸附剂；在吸附过程中，控制含酸性染料水溶液的温度为20℃～50℃，充分吸附并振荡至反应完全后，利用滤膜对吸附后的余液进行过滤，完成对含酸性染料水溶液中刚果红的去除。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明充分利用石墨烯和羟基铝独特的物理化学特性，通过表面活性剂改性手段，大幅度减少石墨烯的团聚的作用，显著提高了石墨烯的比表面积，提高了其在溶液中的分散性与亲水性，进而改善其对水体中染料的吸附性能；

（2）本发明的制备过程中不产生对环境有污染的副产物，并且仅采用常规表面活性剂，原料简单易得，制备成本较低；

（3）本发明的制备工艺简单，条件易控，适于连续大规模的批量生产；且处理过程中对石墨烯的平面结构和本质特性不会产生破坏；

（4）本发明制备的改性石墨烯吸附剂在用于去除水溶液中的刚果红时，可直接加入含酸性染料刚果红水溶液中，整个处理工艺成本较低，操作条件相对简单且容易实施。

附图说明

图1为本发明的实施例1制备的氧化石墨烯的扫描电镜照片。

图2为本发明的实施例1制备的十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯的扫描电镜照片。

图3为本发明的实施例2制备的聚丙烯酰胺改性石墨烯的扫描电镜照片。

图4为本发明的实施例3制备的十二烷基苯磺酸钠改性石墨烯的扫描电镜照片。

图5为氧化石墨烯与本发明的实施例1-3制备的改性石墨烯吸附剂的傅立叶变换红外对比示意图。

图6为本发明的实施例1-3制备的改性石墨烯吸附剂在不同pH值下对刚果红的去除率对比示意图。

图7为本发明的实施例1-3制备的改性石墨烯吸附剂在不同剂量下对刚果红的去除率对比示意图。

图8为石墨烯与本发明的实施例1-3制备的改性石墨烯吸附剂在不同处理时间下对刚果红的吸附容量对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的改性石墨烯吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散30 min后制得浓度为4 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；

本实施例的氧化石墨烯采用修正的Hummers方法合成，具体步骤如下：将10g石墨和5g硝酸钠缓慢加入含有230mL浓硫酸的烧瓶中，并置于冰水混合物中搅拌，30min后，缓慢加入30 g高锰酸钾，在搅拌过程中控制反应温度始终小于15℃，并保持90min；将反应系统转移至35℃的恒温水浴中，保持反应温度为35℃，搅拌30 min；向反应系统中加入460mL的去离子水，反应温度控制在80℃～95℃，搅拌时间为30min；然后加入100mL、30%的过氧化氢溶液，待溶液变成亮黄色后趁热离心过滤，并用500mL浓度为5%的盐酸溶液洗涤与1400mL去离子水洗涤三次，直至溶液无硫酸根离子（用氯化钡溶液检测）。将所得样品在真空冷冻干燥器中50℃烘干48 h至恒重，得到氧化石墨烯，其微观结构见图1。

（2）在步骤（1）得到的氧化石墨烯分散在水中，超声分散30min，得到4 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液，加入羟基铝和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵；其中，羟基铝、氧化石墨烯与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为2∶3∶9，充分搅拌，在65℃条件下反应3 h，完全反应后得到反应溶液；

本实施例的羟基铝的合成方法如下：

室温下将150 mL 浓度为0.4 mol/L 的氯化铝溶液置于500 mL 的三口烧瓶中，在机械搅拌条件下，将浓度为0.3 mol/L 的氢氧化钠溶液缓慢滴加到氯化铝溶液中，直至OH/ Al的最终摩尔比率为2.4。继续搅拌反应2 小时。静置3天后得到羟基铝溶液。

（3）将步骤（2）得到的反应溶液加热至80℃，加入还原剂硼氢化钠，充分反应后得到黑色絮状沉淀；所述还原剂的质量为氧化石墨烯质量的10倍；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯吸附剂。

实施例2

本实施例的改性石墨烯吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散60 min后制得浓度为6 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；

（2）在步骤（1）得到的氧化石墨烯悬浮液中加入羟基铝和表面活性剂聚丙烯酰胺；其中，羟基铝、氧化石墨烯与聚丙烯酰胺的质量比为2∶3∶8，充分搅拌，在60℃条件下反应5 h，完全反应后得到反应溶液；

（3）将步骤（2）得到的反应溶液加热至85℃，加入还原剂硼氢化钾，充分反应后得到黑色絮状沉淀；所述还原剂的质量为氧化石墨烯质量的9倍；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到聚丙烯酰胺改性石墨烯吸附剂。

本实施例中的氧化石墨烯为实施例1中制备得到的氧化石墨烯。

本实施例的羟基铝的合成方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例的改性石墨烯吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散40 min后制得浓度为5 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液；

（2）在步骤（1）得到的氧化石墨烯悬浮液中加入羟基铝和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠；其中，羟基铝、氧化石墨烯与十二烷基苯磺酸钠的质量比为2∶3∶10，充分搅拌，在62℃条件下反应4 h，，完全反应后得到反应溶液；

（3）将步骤（2）得到的反应溶液加热至82℃，加入还原剂硼氢化钠，充分反应后得到黑色絮状沉淀；所述还原剂的总质量为氧化石墨烯质量的11倍；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到十二烷基苯磺酸钠改性石墨烯吸附剂。

本实施例中的氧化石墨烯为实施例1中制备得到的氧化石墨烯。

本实施例的羟基铝的合成方法与实施例1相同。

实施例1-3制得的改性石墨烯吸附剂的微观结构如图2(十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂)、图3(聚丙烯酰胺改性的吸附剂)和图4(十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂)所示，与图1中大量团聚的石墨烯相比，图2、图3中改性的石墨烯呈现出片层状结构，且片层间距增大，这归因于羟基铝和表面活性剂的引入，从图4可清晰的见到石墨烯表面团聚成球状。图5为氧化石墨烯(GO)、聚丙烯酰胺改性石墨烯(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性石墨烯(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性石墨烯(SAG)的傅立叶变换红外对比示意图。CAG和SAG在2919 cm^-1 and 2850 cm^-1的波段出现了亚甲基和甲基上的C-H伸缩振动。且CAG在588 cm^-1的波段分别出现了C-Br 键，SAG在1467 cm^-1的波段出现了甲基上的 C-H弯曲振动，这表明CAG和SAG的成分中含有表面活性剂。 PAG在722 cm^-1的波段出现了C-O伸缩振动，在1413 cm^-1的波段出现了C-N伸缩振动，这证明了PAG中含有表面活性剂。CAG, PAG 和SAG在1635 cm^-1的波段均出现了C=O伸缩振动。

实施例4

测试1：

本发明吸附剂在处理废水中酸性染料的应用中，pH值的范围较为宽泛，本发明对不同溶液pH的条件下刚果红染料的去除率进行对比，具体包括以下步骤：

（1）将聚丙烯酰胺改性的吸附剂(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂(SAG)，分别添加至5组刚果红染料初始浓度为200mg/L的水溶液中，每组水溶液的体积均为50mL；所述吸附剂的用量分别为1g/L。

（2）对上述各组水溶液进行振荡反应，各组水溶液的振荡反应pH值分别为3，5，7，9和11，振荡反应温度均为25˚C，振荡反应转速均为160 rpm，振荡反应时间均为4 h。

（3）对上述振荡反应后的各组水溶液进行固液分离，分离出负载有刚果红染料的吸附剂，完成对水溶液中刚果红的去除。

测定各组水溶液样品中刚果红染料的残余量，结果如图6所示。由图6可见，随着反应溶液pH的增加，刚果红染料的去除率降低，且不同改性石墨烯吸附剂对刚果红的去除率从大到小依次为：聚丙烯酰胺改性的吸附剂(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂(SAG) （实施例1-3）。

测试2

本发明可以用较小的吸附剂用量去除废水中的碱性染料。对不同用量的吸附剂条件下刚果红染料的去除率进行对比，具体包括以下步骤：

（1）将聚丙烯酰胺改性的吸附剂(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂(SAG)，分别添加至5组刚果红染料初始浓度为200mg/L的水溶液中，每组水溶液的体积均为50mL；所述吸附剂的用量分别为0.2 g/L，0.5 g/L，1 g/L，2 g/L，4 g/L。

（2）对上述各组水溶液进行振荡反应，各组水溶液的温度均为25℃，振荡反应转速均为160 rpm，振荡反应时间均为4 h。

（3）对上述振荡反应后的各组水溶液进行固液分离，分离出负载有刚果红染料的吸附剂，完成对水溶液中刚果红染料的去除。

测定各组水溶液样品中刚果红染料的残余量，结果如图7所示。由图7可见，当吸附剂用量增加到0.05 g时，刚果红染料的去除率也随之增加。当吸附剂用量继续增加时，刚果红染料的去除率基本保持不变，即吸附达到饱和。本发明聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠改性的石墨烯(实施例1-3)，当吸附剂的用量为0.05 g时，刚果红染料的去除率分别达到 97.8%，92.9%和69.9%。

测试3

利用实施例1中制得的改性石墨烯吸附剂去除水溶液中的刚果红，本发明对不同溶液pH的条件下刚果红染料的去除率进行对比，具体包括以下步骤：

（1）将聚丙烯酰胺改性的吸附剂(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂(SAG)，分别添加至10组刚果红染料初始浓度为200mg/L的水溶液中，每组水溶液的体积均为50 mL；所述吸附剂的用量分别为1 g/L。

（2）对上述各组水溶液进行振荡反应，各组水溶液的温度均为25℃，振荡反应转速均为160 rpm，振荡反应时间分别为0.1 h、0.2 h、0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、4 h、6 h、8 h和12 h。

（3）对上述振荡反应后的各组水溶液进行固液分离，分离出负载有刚果红染料的吸附剂，完成对水溶液中刚果红染料的去除。

测定各组水溶液样品中有机污染物刚果红的残余量，结果如图8所示。由图8可见，吸附反应在2h 后达到平衡，随后缓慢上升，最后达到饱和吸附。因此，在实际应用过程中，吸附反应的接触时间一般不能少于2 h。且不同改性石墨烯吸附剂对刚果红的去除速率从大到小依次为：聚丙烯酰胺改性的吸附剂(PAG)、十六烷基三甲基溴化铵改性的吸附剂(CAG)和十二烷基苯磺酸钠改性的吸附剂(SAG)（实施例1-3）。同样以实施例1中制备的氧化石墨烯（GO）作为对比样，应用时的操作步骤与上述应用步骤相同，其对刚果红的去除率效果如图8所示，由图8可见，改性石墨烯吸附剂的吸附速率明显高于氧化石墨烯的吸附速率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于含酸性染料废水的处理的改性石墨烯吸附剂，其特征在于，所述改性石墨烯吸附剂的制备方法为：将氧化石墨烯超声分散后加入羟基铝和表面活性剂，充分搅拌后再加入还原剂，充分反应后将得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到改性石墨烯吸附剂；所述表面活性剂包括聚丙烯酰胺、十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基苯磺酸钠中的一种以上；

包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散后制得氧化石墨烯悬浮液；

（2）在步骤（1）得到的氧化石墨烯悬浮液中加入羟基铝和表面活性剂，充分搅拌，完全反应后得到反应溶液；

（3）将步骤（2）得到的反应溶液加热至80℃~85℃，加入还原剂，充分反应后得到黑色絮状沉淀；所述还原剂为硼氢化钠、硼氢化钾中的至少一种；所述还原剂的质量为氧化石墨烯质量的9～11倍；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到改性石墨烯吸附剂。

2.根据权利要求1所述的改性石墨烯吸附剂，其特征在于，步骤（1）中所述超声分散的时间为30min～60min；所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为4mg/mL～6mg/mL。

3.根据权利要求1所述的改性石墨烯吸附剂，其特征在于，步骤（2）中所述表面活性剂包括聚丙烯酰胺（PAM），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）或十二烷基苯磺酸钠（SDBS）中的一种以上；所述羟基铝、氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为2∶3∶（8～10）；所述反应具体为在60℃~65℃条件下反应3h～5h，得到反应溶液。

4.根据权利要求1所述的改性石墨烯吸附剂，其特征在于，所述羟基铝的制备方法如下：

在机械搅拌的条件下，将氢氧化钠溶液滴加到三氯化铝溶液中，反应完全后静置3天，得到羟基铝溶液, 其中所述氢氧化钠与三氯化铝的质量比为（0.5～1）∶1。

5.权利要求1~4任一项所述改性石墨烯吸附剂，其特征在于，所述改性石墨烯吸附剂包含石墨烯、羟基铝和表面活性剂，其中所述羟基铝、氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为2∶3∶（8～10）。

6.根据权利要求5所述的改性石墨烯吸附剂，其特征在于，所述羟基铝通过化学键作用插入层状的氧化石墨烯边缘或表层；所述羟基铝通过化学键作用镶嵌在层状的氧化石墨烯的边缘或表层。

7.权利要求5所述的改性石墨烯吸附剂的应用，其特征是用于去除含酸性染料水溶液中的刚果红。

8.根据权利要求7所述的改性石墨烯吸附剂的应用，其特征在于，所述去除含酸性染料水溶液中的刚果红，具体步骤如下：

每升含酸性染料水溶液中加入1 g～2 g改性石墨烯吸附剂；在吸附过程中，控制含酸性染料水溶液的温度为20℃～50℃，充分吸附并振荡至反应完全后，利用滤膜对吸附后的余液进行过滤，完成对含酸性染料水溶液中刚果红的去除。