CN104874354A - 一种挥发性有机物石墨烯吸附薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挥发性有机物石墨烯吸附薄膜，该薄膜通过以下步骤制备：1）石墨烯薄膜的预处理：2）石墨烯薄膜在无机溶液中的浸泡；3）石墨烯薄膜的铋、锌负载；4）石墨烯薄膜在有机溶液中的浸泡；5）石墨烯薄膜的焙烧。得到的石墨烯吸附薄膜具有高吸附容量、高处理效率、高吸附速率，能够方便的应用于毒性大、低浓度、流动性强的有废气处理中。
Description
技术领域
本发明涉及一种挥发性有机物石墨烯吸附薄膜，属于环境保护领域。
背景技术
随着有机化工业的迅速发展，有机材料领域的不断突破，在工业生产、日常生活中有机物质的用量越来越大，随之产生的挥发性有机物也逐渐成为当今一类重要的污染源。
按照世界卫生组织的定义沸点在50-250℃，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物属于挥发性有机物，主要成分包括：烃类、卤代烃、苯系物、氟利昂系列、多环芳烃等。挥发性有机物对人类健康有重大影响，会引起头痛、恶心、呕吐、乏力等，并会引起过敏、损伤内脏，长期接触可能致癌。并且挥发性有机物还是雾霾形成的重要污染源。
吸附法是目前处理挥发性有机物的一种广泛采用的方法，其具有方法简单、处理成本低、处理量大的特点。但是现有的吸附法存在一些突出的缺点，例如吸附效率低、对于低浓度VOC气体吸附效果不佳、吸附剂的吸附容量不高。
发明内容
本发明提供一种挥发性有机物石墨烯吸附薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1）将石墨烯放入到正丁醇、丙二醇和柠檬酸的混合液中超声振荡30分钟，在5-10℃、氦气环境下浸泡60-120分钟，然后取出石墨烯用去离子水和无水乙醇间隔洗涤过滤4-8次，干燥备用；
2）将钼酸锌溶液、钒酸铋溶液与乙酸混合，使溶液中钼酸锌的浓度为0.1-0.2mol/L，钒酸铋的浓度为0.2-0.4mol/L，将步骤1）经洗涤干燥的石墨烯薄膜浸泡在上述混合液中，静置12-48小时后，取出石墨烯薄膜；
3）将步骤2）浸泡后取出的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为400-450℃，焙烧时间2-4小时，升温速度5-8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的石墨烯薄膜；
4）将步骤3）得到的负载铋、锌的石墨烯薄膜浸渍在丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的混合液中，静置2-4小时后，取出石墨烯薄膜，室温下干燥；
5）将步骤4）干燥后的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为400-450℃，焙烧时间2-4小时，升温速度5-8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的表面被有机物改性的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜。
步骤3）中丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的物质量的比值为1:1:2:2:2:0.5:1.5:1.5。
步骤1）中的正丁醇、丙二醇和柠檬酸的物质的量的比值为1:1:3。
本发明与现有技术相比较有以下优点：
（1）石墨烯吸附薄膜上负载铋、锌两种活性元素，能够大幅提高石墨烯吸附薄膜针对VOC物质的吸附速率。
（2）石墨烯是近年来兴起的一种碳基吸附材料，它是由sp2 杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料，其厚度只有0.335 nm。将石墨烯用作吸附材料具有体积小、重量轻、吸附量大的特点。
（3）本发明通过丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇对石墨烯表面进行改性，引入了羟基、羧基、胺基、羰基等多种活性官能团，使石墨烯对VOC的吸附灵敏性和吸附容量大幅提升，能够方便的应用于毒性大、低浓度、流动性强的有废气处理中，吸附时间短，吸附效率高。其中石墨烯吸附薄膜的单位吸附量能达到5.80g/g，是活性炭等普通吸附材料的10几倍，并且对1.0mg/m3这样的VOC浓度极低的气体进行吸附处理，去除率达能够达到到99.0%，是现有吸附材料所不能实现的。
（4）二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇之间产生协同效应，在石墨烯表面形成一种多孔网状结构，使活性官能团稳定牢固，增强了石墨烯表面的拦截吸附能力。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
1）将石墨烯放入到正丁醇、丙二醇和柠檬酸的混合液中超声振荡30分钟，正丁醇、丙二醇和柠檬酸的物质的量的比值为1:1:3，超声频率为20KHz，在5℃、氦气环境下浸泡60分钟，然后取出石墨烯用去离子水和无水乙醇间隔洗涤过滤4次，干燥备用；
2）将钼酸锌溶液、钒酸铋溶液与乙酸混合，使溶液中钼酸锌的浓度为0.1mol/L，钒酸铋的浓度为0.2mol/L，将步骤1）经洗涤干燥的石墨烯薄膜浸泡在上述混合液中，静置12小时后，取出石墨烯薄膜；
3）将步骤2）浸泡后取出的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为400℃，焙烧时间2小时，升温速度5℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的石墨烯薄膜；
4）将步骤3）得到的负载铋、锌的石墨烯薄膜浸渍在丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的混合液中，静置2小时后，取出石墨烯薄膜，室温下干燥；
5）将步骤4）干燥后的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为400℃，焙烧时间2小时，升温速度5℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的表面被有机物改性的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜。
利用上述石墨烯吸附薄膜对VOC浓度为1.0mg/m3的气体进行吸附处理，去除率达到99.0%、石墨烯吸附薄膜的单位吸附量达到4.06g/g。
实施例2：
1）将石墨烯放入到正丁醇、丙二醇和柠檬酸的混合液中超声振荡30分钟，正丁醇、丙二醇和柠檬酸的物质的量的比值为1:1:3，超声频率为40KHz，在10℃、氦气环境下浸泡120分钟，然后取出石墨烯用去离子水和无水乙醇间隔洗涤过滤8次，干燥备用；
2）将钼酸锌溶液、钒酸铋溶液与乙酸混合，使溶液中钼酸锌的浓度为0.2mol/L，钒酸铋的浓度为0.4mol/L，将步骤1）经洗涤干燥的石墨烯薄膜浸泡在上述混合液中，静置48小时后，取出石墨烯薄膜；
3）将步骤2）浸泡后取出的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为450℃，焙烧时间4小时，升温速度8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的石墨烯薄膜；
4）将步骤3）得到的负载铋、锌的石墨烯薄膜浸渍在丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的混合液中，静置4小时后，取出石墨烯薄膜，室温下干燥；
5）将步骤4）干燥后的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为450℃，焙烧时间4小时，升温速度8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的表面被有机物改性的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜。
利用上述石墨烯吸附薄膜对VOC浓度为40.0mg/m3的气体进行吸附处理，去除率达到99.9%、石墨烯吸附薄膜的单位吸附量达到5.80g/g。
实施例3：
1）将石墨烯放入到正丁醇、丙二醇和柠檬酸的混合液中超声振荡30分钟，正丁醇、丙二醇和柠檬酸的物质的量的比值为1:1:3，超声频率为30KHz，在8℃、氦气环境下浸泡90分钟，然后取出石墨烯用去离子水和无水乙醇间隔洗涤过滤4-8次，干燥备用；
2）将钼酸锌溶液、钒酸铋溶液与乙酸混合，使溶液中钼酸锌的浓度为0.15mol/L，钒酸铋的浓度为0.3mol/L，将步骤1）经洗涤干燥的石墨烯薄膜浸泡在上述混合液中，静置24小时后，取出石墨烯薄膜；
3）将步骤2）浸泡后取出的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为420℃，焙烧时间3小时，升温速度6℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的石墨烯薄膜；
4）将步骤3）得到的负载铋、锌的石墨烯薄膜浸渍在丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的混合液中，静置3小时后，取出石墨烯薄膜，室温下干燥；
5）将步骤4）干燥后的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为420℃，焙烧时间3小时，升温速度6℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的表面被有机物改性的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜。
利用上述石墨烯吸附薄膜对VOC浓度为10.0mg/m3的气体进行吸附处理，去除率达到99.9%、石墨烯吸附薄膜的单位吸附量达到5.09g/g。
Claims (3)
1.一种挥发性有机物石墨烯吸附薄膜，其特征在于该薄膜通过以下步骤制备：
1）将石墨烯放入到正丁醇、丙二醇和柠檬酸的混合液中超声振荡30分钟，在5-10℃、氦气环境下浸泡约60-120分钟，然后取出石墨烯用去离子水和无水乙醇间隔洗涤过滤4-8次，干燥备用；
2将钼酸锌溶液、钒酸铋溶液与乙酸混合，使溶液中钼酸锌的浓度为0.1-0.2mol/L，钒酸铋的浓度为0.2-0.4mol/L，将步骤1）经洗涤干燥的石墨烯薄膜浸泡在上述混合液中，静置12-48小时后，取出石墨烯薄膜；
3）将步骤2）浸泡后取出的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为约400-450℃，焙烧时间2-4小时，升温速度5-8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的石墨烯薄膜；
4）将步骤3）得到的负载铋、锌的石墨烯薄膜浸渍在丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的混合液中，静置2-4小时后，取出石墨烯薄膜，室温下干燥；
5）将步骤4）干燥后的石墨烯薄膜在马弗炉中加热焙烧，焙烧的温度为约400-450℃，焙烧时间2-4小时，升温速度5-8℃/min，然后自然冷却至室温，得到负载铋、锌的表面被有机物改性的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜。
2.如权利要求1所述的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜，其特征在于：步骤3）中丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、甲基异丁基酮、正丁醛、N-甲基吡咯烷酮、N-异丙基-N’-苯基对苯二胺、丙三醇、聚乙烯醇的物质量的比值为1:1:2:2:2:0.5:1.5:1.5。
3.如权利要求1所述的挥发性有机物石墨烯吸附薄膜，其特征在于：步骤1）中的正丁醇、丙二醇和柠檬酸的物质的量的比值为1:1:3。
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