CN104759253A - 一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵及其制备方法，将质量比为1:0.1～1:10的氧化石墨烯和海藻酸钠溶液超声混匀，再加入碱性物质调节pH8～10；60～150℃下密封加热反应0.5～10h得到石墨烯水凝胶；向得到的石墨烯水凝胶中加入钙离子溶液，分别用酸和水浸泡洗涤，然后干燥，即得目标产品。本发明的石墨烯海绵制备工艺简单，原料成分更加简单，易于获得，无二次污染，易于推广可大批量生产。且制得的石墨烯海绵更加疏散多孔，比表面积大，增加了对污染物的吸附容量。解决了纳米吸附剂难以固液分离的问题。可用于吸附水中的有机污染物和重金属离子，也可以用于水中微量重金属的富集。

Description

一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵及其制备方法

技术领域：

本发明涉及功能性材料技术领域，具体涉及一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵及其制备方法。

背景技术：

目前水污染越来越受人们的关注，其中水中的重金属难以降解会随着生态循环在人体内积累从而危及人类的身体健康。因此对水中重金属的去除及检测水中重金属十分重要。如何快速高效去除水中的重金属离子，及对水中微量重金属进行富集检测成为水污染控制研究的重大课题。

石墨烯是一个新兴的材料，具有很高的比表面积，其理论比表面积高达2630m²/g。在吸附富集中具有潜在的应用性能。但作为吸附材料在实际应用中存在一定的缺陷，石墨烯为二维片状结构，在目标物吸附过程中易导致其柔性结构改变，材料内部微孔堵塞，导致其比表面积下降，影响吸附性能，且不易固液分离，因此在实际应用中必须对其结构进行改进。

石墨烯海绵是将石墨烯作为吸附材料时的改性体，它是以石墨烯为基本结构单元，具备石墨烯和海绵的特征，即具有较高的比表面积和较轻的密度，同时防止了客体泄露，在富集水中污染物方面具有很好的优势。专利号201310483276.5公开发表了一种医用抑菌型氧化石墨烯多孔复合材料的制备方法，具体是将氧化石墨烯、海藻酸钠和明胶共混溶胶，再用钙离子进行交联制得，对Pb²⁺和Cu²⁺具有很好吸附能力，可作为医用吸附材料。专利号201410051663.6公开了一种吸附重金属离子复合水凝胶及制备方法，所述复合水凝胶包含聚乙烯醇、壳聚糖、改性氧化石墨烯和海藻酸钠，考察了其对水中Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺和Ni²⁺的吸附能力。专利号201410540016.1公开了一种吸附重金属离子复合水凝胶及制备方法，所述水凝胶包含聚乙烯醇、壳聚糖、改性氧化石墨烯(多巴胺修饰的改性氧化石墨烯或四氧化三铁修饰的改性氧化石墨烯)和海藻酸钠，改性氧化石墨烯的复合水凝胶对Cu²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺和Ni²⁺的最大吸附容量都明显提高。专利号201410123913.2公开了一种用于污水处理的水凝胶及其制备方法，水凝胶原料组合物中包括聚乙烯醇、壳聚糖、羧甲基纤维素钠、氧化石墨烯、海藻酸钠。制得的水凝胶对Pb²⁺和Cr³⁺具有很好的吸附能力。

海藻酸钠是一种天然多糖，来源广泛，价格低廉，无毒，生物相容性高，对重金属离子具有很好的结合作用。因此海藻酸钠-氧化石墨烯海绵在水污染物治理方面具有广阔的应用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于重金属富集的石墨烯海绵及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵，包括以下组分：质量比为1:0.1～1:10的氧化石墨烯和海藻酸钠；

其制备方法包括以下步骤：

a、将质量比为1:0.1～1:10的氧化石墨烯和海藻酸钠溶液超声混匀，再加入碱性物质调节pH8～10；在60～150℃下密封加热反应0.5～10h得到石墨烯水凝胶；

b、向步骤a得到的石墨烯水凝胶中加入钙离子溶液，得到定型含水石墨烯海绵；

c、将步骤b得到的的定型含水石墨烯海绵分别用酸和水浸泡洗涤，然后干燥，即得目标产品。

步骤a中，所述的氧化石墨烯经过Hummer’s或改进的Hummer’s法制备得到；所述的氧化石墨烯浓度为0.1～6mg/mL；所述的碱性物质浓度为0.01～2mol/L。

所述的碱性物质选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、氨水、乙二胺中一种或两种以上。

当石墨烯海绵用于去除水中的污染物时，步骤a中，温度优选为100～150℃，反应时间优选为6～10h；最优选为150℃，反应时间10h。碱性条件下加热氧化石墨烯和海藻酸钠混合溶液，氧化石墨烯会逐渐被还原，碱性物质的浓度越高，加热温度越高，加热时间越长，氧化石墨烯还原的程度越高，对有机物的吸附效果越好。

步骤a中，用于富集水中重金属石墨烯海绵的制备，加热温度优选为60～100℃，反应时间优选为0.5～10h，在碱性条件下加热氧化石墨烯和海藻酸钠混合溶液，最终的制得的石墨烯海绵对重金属具有很好的富集效果。

步骤b中，钙离子浓度为0.01～1.0M。加入钙离子目的使石墨烯水凝胶进一步固化成型，增强所得石墨烯海绵的柔韧性和弹性。

步骤c中，采用冷冻干燥或真空干燥的方法对石墨烯海绵进行干燥，干燥时间为5～10小时。所述的冷冻干燥冷冻温度为-70～-30℃，真空度5～15帕；所述的真空干燥，温度30～70℃，真空度500～5000帕。

本发明还保护所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的应用，所述石墨烯海绵用于吸附重金属离子，实现重金属富集，或用于去除水中的污染物。

本发明的有益效果如下：

1.与现有技术相比，本发明的石墨烯海绵制备工艺简单，原料成分更加简单，易于获得，无二次污染，易于推广可大批量生产。制得的石墨烯海绵疏松多孔，比表面积大，增加了对污染物的吸附容量。通过调节反应条件和反应物的比例可制得应用于水中有机物污染物去除或水中重金属富集的石墨烯海绵。

2.海藻酸钠的加入，增强了石墨烯海绵的弹性和柔韧性，丰富了石墨烯表面的官能团，增大了石墨烯海绵对重金属的吸附能力，而且吸附上的重金属可以用酸定量解吸回收，实现了对重金属富集目的。对制备的石墨烯海绵材料进行10次以上重金属富集实验，富集效果依然没有减弱，证明其具有很好的重复利用性。

本发明的石墨烯海绵性能稳定，解决了纳米吸附剂难以固液分离的问题。可用于吸附水中的有机污染物和重金属离子，也可以用于水中微量重金属的富集。

附图说明：

图1是实施例1制备的定型含水石墨烯海绵的照片；

图2是实施例1制备的石墨烯海绵的照片；

图3是实施例1制备的石墨烯海绵的扫描电镜图；

图4为本发明所制备的石墨烯海绵对水中Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺四种重金属离子的吸附效率随溶液pH变化的曲线；

图5为本发明所制备的石墨烯海绵对水中Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺四种重金属离子的解吸效率随溶液pH变化的曲线。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：用于重金属富集的石墨烯海绵的制备

1.制备氧化石墨烯溶液

通过Hummer’s的方法制备氧化石墨烯，具体的是将10g石墨烯加入到装有500mL浓硫酸/浓硝酸(体积比10/1)的烧瓶中，在搅拌下缓慢再加入22g高锰酸钾，搅拌混匀，冷却，再在50℃下反应10小时后，在冰浴下，加入500mL水和8mL质量分数为30％的双氧水，放置2小时，之后依次用水、30％盐酸、水、乙醇进行离心洗涤，干燥即得氧化石墨烯。

往上述制备的氧化石墨烯加入离子水，超声1小时使其分散均匀，配置5mg/mL氧化石墨烯水溶液。

2、石墨烯海绵的制备

取五个试管，分别取步骤1所得的5mg/mL氧化石墨烯溶液2mL加入试管中，再分别加入20mg/mL的海藻酸钠0.5、1、2、4和5mL，超声使溶液混合均匀，再分别加入100uL的1M碳酸氢钠溶液和水定容到总体积10mL，得到石墨烯的浓度均为1mg/mL，海藻酸钠分别为1、2、4、6和10mg/mL的氧化石墨烯-海藻酸钠混合溶液，超声1小时至溶液混合均匀。再将氧化石墨烯-海藻酸钠混合溶液放入90℃水浴加热3小时。加热完毕后，冷却，搅拌下加入500uL 1M氯化钙溶液，得到定型含水石墨烯海绵，如图1所示，将定型含水石墨烯海绵分别用盐酸和水洗涤，再经冷冻干燥8小时，获得石墨烯海绵。图2和图3分别是含水石墨烯海绵(编号3)经冷冻干燥8小时后获得石墨烯海绵的照片及扫描电镜图，由图3可知，所制得的石墨烯海绵疏松多孔，具有较高的比表面积。

实施例2石墨烯海绵在吸附水中有机物的应用

取五个试管，分别配制氧化石墨烯浓度4.0mg/mL，海藻酸钠浓度为2mg/mL的反应液10mL，并将氧化石墨烯和海藻酸钠溶液超声混匀，加入碳酸氢钠溶液调节pH至10，超声30min，再将五个试管放入150℃水浴中分别加热0.5、2.5、5.0、7.5和10h。加热完毕后，冷却，搅拌下分别加入500uL 1M氯化钙溶液，得到定型含水石墨烯海绵，将定型含水石墨烯海绵分别用盐酸和水洗涤，再经冷冻干燥8小时，获得五种不同反应时间下的石墨烯海绵。将上述五种不同反应时间下的10mg石墨烯海绵分别加入到五个含有100mL 10mg/L苯酚溶液的容器中，超声2min，再静置20min。取上清液测定其中的苯酚含量。通过比较吸附前后中苯酚的浓度，得出石墨烯海绵对苯酚的吸附效率达都达90％以上，反应时间越长，对苯酚的吸附效率越高，反应7.5和10h时，对苯酚的吸附效率都达到了100％。在碱性条件下加热氧化石墨烯和海藻酸钠混合溶液，氧化石墨烯会逐渐被还原，碱性物质的浓度越高，加热温度越高，加热时间越长，氧化石墨烯还原的程度越高，对有机物的吸附效果越好。

实施例3石墨烯海绵在吸附重金属离子的应用

取五个试管，分别配制氧化石墨烯浓度2.0mg/mL，海藻酸钠浓度为4mg/mL的反应液10mL，并将氧化石墨烯和海藻酸钠溶液超声混匀，加入碳酸氢钠溶液调节pH至10，超声1h，再将五个试管分别放在60、90、100、120和150℃水浴中加热3h。加热完毕后，冷却，搅拌下分别加入500uL 1M氯化钙溶液，得到定型含水石墨烯海绵，将定型含水石墨烯海绵分别用盐酸和水洗涤，再经冷冻干燥8小时，获得五种不同反应温度下的石墨烯海绵。将上述五种不同反应温度下的10mg石墨烯海绵分别加入到五个到含有Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺(浓度均为5mg/L)的30mL溶液中，pH＝6.0±0.1，超声2min，放置6小时，对吸附前后溶液用ICP-MS进行测定，得到上述五种不同反应温度下制得石墨烯海绵对Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、As³⁺的均具有很好的吸附效果。特别的，在反应温度90℃下吸附效果最佳，测得其对Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺的吸附容量分别为15ug/mg、6.0ug/mg、4.0ug/mg和1.0ug/mg。

实施例4石墨烯海绵在吸附重金属离子的应用

取100mg石墨烯海绵放入100mL pH＝6.0±0.1含有Pb²⁺和Cd²⁺(浓度均为0.1mg/L)的溶液中，超声2min，在静置20min，过滤，再用10mL 1M HCl进行解吸。计算的出Pb²⁺和Cd²⁺的吸附效率分别为99％和95％，解吸效率分别为99％和91％，石墨烯海绵经上述吸附解吸实验10次后，Pb²⁺和Cd²⁺吸附效率依然都能够达到90％以上。

实施例5石墨烯海绵在吸附重金属离子的应用

取100mg石墨烯海绵分别放入100mL含有Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺(浓度均为0.1mg/L)，pH值分别为2、4、6、8、10的溶液中，超声10min，在静置20min，过滤，再用10mL 1MHCl进行解吸。得出溶液中Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺的吸附效率和解吸效率受pH值影响，如图4和图5所示，可见石墨烯海绵对水中Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺的吸附效率和解吸效率受pH的影响不同，说明石墨烯海绵对重金属有选择性吸附。对于Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺和As³⁺四种重金属离子来说，在pH2～10范围内，pH＝6时，吸附效率最高，都达到了85％以上。

Claims (10)

1.一种用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵，其特征在于，包括以下组分：质量比为1:0.1～1:10的氧化石墨烯和海藻酸钠。

2.一种权利要求1所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将质量比为1:0.1～1:10的氧化石墨烯和海藻酸钠溶液超声混匀，再加入碱性物质调节pH8～10；在60～150℃下密封加热反应0.5～10h得到石墨烯水凝胶；

b、向步骤a得到的石墨烯水凝胶中加入钙离子溶液，得到定型含水石墨烯海绵；

c、将步骤b得到的的定型含水石墨烯海绵分别用酸和水浸泡洗涤，然后干燥，即得目标产品。

3.根据权利要求2所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，步骤a中，所述的氧化石墨烯经过Hummer’s或改进的Hummer’s法制备得到；所述的氧化石墨烯浓度为0.1～6mg/mL；所述的碱性物质浓度为0.01～2mol/L。

4.根据权利要求2或3所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述的碱性物质选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、氨水、乙二胺中一种或两种以上。

5.根据权利要求2所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，当石墨烯海绵用于去除水中的污染物时，步骤a中，温度为100～150℃，反应时间为为6～10h；当石墨烯海绵用于富集水中重金属时，步骤a中，温度为60～100℃，反应时间为0.5～10h。

6.根据权利要求2所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，步骤b中，钙离子浓度为0.01～1.0M。

7.根据权利要求2所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，步骤c中，采用冷冻干燥或真空干燥的方法对石墨烯海绵进行干燥，干燥时间为5～10小时。

8.根据权利要求7所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的制备方法，其特征在于，所述的冷冻干燥冷冻温度为-70～-30℃，真空度5～15帕；所述的真空干燥，温度30～70℃，真空度500～5000帕。

9.权利要求1所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的应用，其特征在于，所述石墨烯海绵用于去除水中的污染物。

10.权利要求1所述的用于重金属富集或去除水中的污染物的石墨烯海绵的应用，其特征在于，所述石墨烯海绵用于吸附重金属离子。