CN105903438B - 一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法 - Google Patents

一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法，属于重金属废水处理领域，以解决目前氧化石墨烯材料价格昂贵、吸附能力有限和难于从废水中分离的问题。该吸附剂由下述重量份的原料制成：凹凸棒土1份、水20～200份、六偏磷酸钠0.02～0.1份，再加氧化石墨烯水溶液，凹凸棒土与氧化石墨烯质量比为0.1:1～10:1。其制备方法包括如下步骤：采用搅拌—静置分层方法配制凹凸棒土悬浮液；将凹凸棒土与氧化石墨烯分别超声后进行水热反应，烘干，即得粉末状凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂。本发明产品具有亲水性好、吸附能力强、价格低廉且易于从废水中分离，材料循环使用效率高，在水处理领域有实际应用价值。

Description

一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法
技术领域
本发明属于重金属废水处理领域，具体涉及一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法。
背景技术
电镀、矿物冶炼、污水灌溉和农药使用等都会造成相应环境重金属污染。重金属在生物体内易富集浓缩，对生物体造成毒害作用。在众多含重金属废水处理技术中，吸附技术具有操作简单、不产生二次污染和容易再生等优点，常作为废水的深度处理单元。但常用的吸附剂活性炭极性弱，疏水性较强，对水中有机物具有较强的吸附作用，对重金属的去除效果有一定作用，但是有待进一步提高。一般来说，若吸附剂的亲水性越强，则吸附重金属效率越高，反之，若吸附剂的疏水性越强，则吸附重金属效率越低。因此，为了改善处理效果，确保重金属废水的处理出水水质达到相应标准，人们正在探究吸附性能更好的吸附剂，例如石墨烯和氧化石墨烯等。但是石墨烯具有自聚和疏水的特点，限制了石墨烯吸附重金属的能力。虽然氧化石墨烯具有较好的亲水性，且对重金属的吸附能力也较强，但氧化石墨烯纳米材料在废水处理过程中容易流失，且氧化石墨烯未能大规模生产，价格较高，经济方面不划算。
发明内容
本发明的目的是提供一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂，以解决目前氧化石墨烯材料价格昂贵、吸附能力有限和难于从废水中分离的问题。
本发明的目的是提供一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法。
本发明的技术方案是：一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂，由下述重量份的原料制成：凹凸棒土1份、水20～200份、六偏磷酸钠0.02～0.1份，再加氧化石墨烯水溶液，凹凸棒土与氧化石墨烯质量比为0.1:1～10:1。
一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，包括如下步骤：
（1）采用搅拌—静置分层方法，将凹凸棒土投加到水中浸泡，以六偏磷酸钠为分散剂，提纯天然凹凸棒土，配制成凹凸棒土悬浮液；
（2）将凹凸棒土与氧化石墨烯分别超声后进行水热反应，使凹凸棒嵌插至氧化石墨烯表面，即得凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂水溶液；
（3）将凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂水溶液烘干，即得粉末状凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂；
以上各原料用量采用上述用量。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（1）具体过程为：凹凸棒土浸泡12～24h后投加六偏磷酸钠，置于磁力搅拌器上以60～180r/min的速度搅拌1～3h，静置2～3h，待出现稳定分层后，析出上层凹凸棒土悬浮液定容备用。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（2）具体过程为，将凹凸棒土悬浮液和氧化石墨烯水溶液分别在超声清洗器中以100～200w超声分散2～4h，然后按凹凸棒土与氧化石墨烯质量比为0.1:1～10:1的比例将两种分散液混合，再在超声清洗器中以60～100w超声0.5～1.5h，然后置于磁力搅拌器在35～55°C条件下，以60～180r/min水热反应8～12h，最后冷却。
作为本发明的进一步改进，所述步骤（3）的烘干温度为75～105℃。
作为本发明的进一步改进，所述的凹凸棒土悬浮液的质量浓度为1～3mg/mL，氧化石墨烯水溶液的质量浓度为1～2mg/mL。
凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂及其制备方法由氧化石墨烯和凹凸棒土通过简单的水热反应制备而成，复合吸附材料为单层纳米氧化石墨烯两侧垂直嵌插纳米棒状晶体。
本发明方法首先对凹凸棒土提纯，以免杂质对下步骤的水热反应结果产生影响。
本发明所使用的氧化石墨烯具有典型的二维平面结构，具有羟基、羧基、环氧基等大量的含氧官能团。亲水性分子可通过层间氢键、离子键、共价键等作用嵌插至氧化石墨烯表面，形成复合物。
凹凸棒土又名：坡缕石，典型分子式为Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O，其单个晶体呈纤维状，具有良好的亲水性，相对密度较大。通过亲水性的凹凸棒土与氧化石墨烯发生嵌插反应，氧化石墨烯得到改性，达到改善经济实用性，提高吸附能力和分离能力的三重效果。
六偏磷酸钠，对各种土起分散稳定作用，是优良的分散剂。六偏磷酸钠促使凹凸棒土悬浮于水中，而混杂于凹凸棒土中的杂质会脱离凹凸棒土悬浮液体系，达到分离杂质，纯化凹凸棒土的目的。
本发明产品具有亲水性好、吸附能力强、价格低廉且易于从废水中分离，材料循环使用效率高，在水处理领域有实际应用价值。
具体实施方式
下面的实施例可以进一步说明本发明，但并不以任何方式限制本发明。
实施例1：
本发明以凹凸棒土为改性材料，对氧化石墨烯进行改性，其制备工艺步骤如下：
（1）将50g凹凸棒土投加到1000mL水中浸泡，24h后，添加5g六偏磷酸钠，置于磁力搅拌器上以180r/min的速度搅拌1h，静置3h待出现稳定分层后，析出上层凹凸棒土悬浮液定容，即得凹凸棒土悬浮溶液。
（2）将浓度为3mg/mL的凹凸棒土悬浮液与2mg/mL氧化石墨烯水溶液分别置于超声清洗器中超声分散2h，超声功率为200w，将超声后的两种分散液配制成凹凸棒：氧化石墨烯=0.1:1质量比的混合液，再在超声清洗器中100w超声0.5h。
（3）将上述混合液置于磁力搅拌器55°C下以180r/min搅拌8h，冷却；最后在烘箱中105℃烘干，即得复合材料。
实施例2：
本发明以凹凸棒土为改性材料，对氧化石墨烯进行改性，其制备工艺步骤如下：
（1）将10g凹凸棒土投加到1000mL水中浸泡，18h后，添加0.6g六偏磷酸钠，置于磁力搅拌器上以120r/min的速度搅拌2h，静置2.5h待出现稳定分层后，析出上层凹凸棒土悬浮液定容，即得凹凸棒土悬浮溶液。
（2）将浓度为2mg/mL的凹凸棒土悬浮液与2mg/mL氧化石墨烯水溶液分别置于超声清洗器中超声分散3h，超声功率为150w，将超声后的两种分散液配制成凹凸棒：氧化石墨烯=2:1质量比的混合液，再在超声清洗器中80w超声1h。
（3）将上述混合液置于磁力搅拌器45°C下以120r/min搅拌10h，冷却；最后在烘箱中90℃烘干，即得复合材料。
实施例3：
本发明以氧化石墨烯为载体，采用凹凸棒土对其进行改性，其工艺步骤如下：
（1））将5g凹凸棒土投加到1000mL水中浸泡，12h后，添加0.1g六偏磷酸钠，置于磁力搅拌器上以60r/min的速度搅拌3h，静置2h待出现稳定分层后，析出上层凹凸棒土悬浮液定容，即得凹凸棒土悬浮溶液。
（2）将浓度为2mg/mL的凹凸棒土悬浮液与1mg/mL氧化石墨烯水溶液分别置于超声清洗器中超声分散4h，超声功率为100w，将超声后的两种分散液配制成凹凸棒：氧化石墨烯=10:1质量比的混合液，再在超声清洗器中60w超声1.5h。
（3）将上述混合液置于磁力搅拌器35°C下以60r/min搅拌12h，冷却；最后在烘箱中75℃烘干，即得复合材料。
效果例：为有力支持本发明实施例的有益效果，提供效果实施例如下，用以测评本发明实施例提供的复合吸附材料的性能。
1.针对重金属铅污染源的吸附性能检测：采用静态吸附法，将实施例1～实施例3制得的凹凸棒土与氧化石墨烯复合吸附材料分别与pH=5，浓度为140mg/L的铅溶液混合，采用水浴振荡接触反应，2h后低速离心，利用原子吸收分光光度计测定残余重金属浓度。
2.针对重金属铅的吸附-解吸性能检测：利用0.5mol/L的HCl溶液对吸附了铅离子的凹凸棒土与氧化石墨烯复合材料进行解吸。吸附-解吸循环实验执行6次，测定每次循环的吸附率和解吸率。
实施例1～实施3例针对重金属铅的吸附性能结果如下：凹凸棒土与氧化石墨烯配料比为0.1:1、2:1和5:1时，对重金属铅的吸附能力分别为91.5% 、90.5%和81.6%。
实施例2针对重金属铅的吸附-解吸性能结果如下：0.5mol/L的HCl溶液对吸附了铅离子的复合材料首次解吸率达到99.6%，当吸附-解吸循环6次后，吸附率依然为首次吸附的74.8%，表明凹凸棒土与氧化石墨烯复合吸附材料循环使用效率高，在水处理领域有实际应用价值。

Claims (6)

1.一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂，其特征在于：复合吸附材料为单层纳米氧化石墨烯两侧垂直嵌插纳米棒状晶体，由下述重量份的原料制成：凹凸棒土1份、水20～200份、六偏磷酸钠0.02～0.1份，再加氧化石墨烯水溶液，凹凸棒土与氧化石墨烯质量比为0.1:1～10:1。
2.一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
（1）采用搅拌—静置分层方法，将凹凸棒土投加到水中浸泡，以六偏磷酸钠为分散剂，提纯天然凹凸棒土，配制成凹凸棒土悬浮液；
（2）将凹凸棒土与氧化石墨烯分别超声后进行水热反应，单层纳米氧化石墨烯两侧垂直嵌插纳米棒状晶体，即得凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂水溶液；
（3）将凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂水溶液烘干，即得粉末状凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂；
以上各原料用量采用权利要求1所述用量。
3.根据权利要求2所述的一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）具体过程为：凹凸棒土浸泡12～24h后投加六偏磷酸钠，置于磁力搅拌器上以60～180r/min的速度搅拌1～3h，静置2～3h，待出现稳定分层后，析出上层凹凸棒土悬浮液定容备用。
4.根据权利要求2或3所述的一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）具体过程为，将凹凸棒土悬浮液和氧化石墨烯水溶液分别在超声清洗器中以100～200w超声分散2～4h，然后按凹凸棒土与氧化石墨烯质量比为0.1:1～10:1的比例将两种分散液混合，再在超声清洗器中以60～100w超声0.5～1.5h，然后置于磁力搅拌器在35～55°C条件下，以60～180r/min水热反应8～12h，最后冷却。
5.根据权利要求4所述的一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的烘干温度为75～105℃。
6.根据权利要求5所述的一种凹凸棒土与氧化石墨烯复合的吸附剂的制备方法，其特征在于：所述的凹凸棒土悬浮液的质量浓度为1～3mg/mL，氧化石墨烯水溶液的质量浓度为1～2mg/mL。
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