CN106000297B - 一种石墨烯负载氧化锆复合材料、制备方法及其作为脱硫吸附剂的应用 - Google Patents

一种石墨烯负载氧化锆复合材料、制备方法及其作为脱硫吸附剂的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯负载氧化锆复合材料、制备方法及其作为脱硫吸附剂的应用，该石墨烯负载氧化锆复合材料是由包括以下步骤的方法制备的：1)将氧化石墨烯分散液与氧氯化锆溶液混合，后加入氢氧化钠至体系pH为8～14，得前驱混合物；2)将所得前驱混合物在190～210℃条件下进行水热反应20～60min，后经洗涤、干燥，即得。复合前驱体经水热反应生成的纳米氧化锆粒径均匀且均匀地负载在石墨烯表面，防止了纳米氧化锆的团聚，使材料具有大的比表面积，充分利用了氧化锆的高效吸附性能；作为吸附剂去除水体中的硫酸根离子时，吸附容量大，吸附速率块，易再生循环利用，具有良好的经济和环境效益，具有广泛的应用前景。

Description

一种石墨烯负载氧化锆复合材料、制备方法及其作为脱硫吸 附剂的应用
技术领域
本发明属于水体吸附净化技术领域，具体涉及一种石墨烯负载氧化锆复合材料，同时还涉及一种石墨烯负载氧化锆复合材料的制备方法及其为脱硫吸附剂的应用。
背景技术
随着现代工业和经济的发展，水资源与环境污染问题越来越严重，已严重制约人类社会可持续发展。一直以来，水体阴离子污染一直为人们所关注，而硫酸根是一种在废水中普遍存在的阴离子，其主要来源为：酸性矿山废水(矿物开发过程中硫化矿物在氧气、水作用下形成的酸性废水)、冶金工业废水(使用硫酸作为溶液进行溶浸或清洗产生的废水和废酸)、食品废水(发酵及其生产工艺中硫酸的使用)、化工废水(高浓度硫酸盐废水)。因为硫酸根本身并无毒性，故硫酸盐废水对自然界的危害是间接的，其主要危害为：高浓度硫酸根破坏自然界硫循环；危害水体生态平衡，当水体中硫酸根含量较高时，厌氧条件下硫酸盐还原菌可将硫酸根转化为有毒的硫化氢气体；硫酸根离子浓度大于600mg/L会导致腹泻，直接危害人体健康；硫酸盐废水产生硫化氢可腐蚀管道；使土地盐碱化，危害土壤农业开发；在生化废水处理系统中硫酸盐会严重抑制产甲烷菌的活动，从而增大废水生化处理难度，等等。
水体中硫酸根去除方法繁多，但每种方法均有其自身的局限性。其中，吸附法因操作简单、吸附效果好且吸附剂可以再生利用而越来越受重视。纳米氧化锆，具有高比表面积，对水中硫酸根离子有较强的亲和性，可作为吸附剂去除废水中硫酸根。但是，由于纳米氧化锆的纳米尺寸，其在应用中存在易团聚和固液分离困难的问题，限制了其在水体净化方面的应用。
石墨烯具有大的比表面积、高的耐酸碱腐蚀等优点，对水中污染物有较好的吸附性能。但是，由于石墨烯的片层与片层之间有较强的范德华力，易产生聚集，且其本身具有的憎水性，限制了其在水处理中的应用。为了提高其吸附性能及在水溶液中的分散稳定性，研究人员常把石墨烯与其他材料复合，石墨烯与纳米粒子复合既可以防止纳米颗粒的团聚，又可阻止石墨烯片层之间的团聚，也可以充分发挥纳米离子本身具有的特性，提高其性能。
现有技术中，CN105032348A公开了一种还原氧化石墨烯/纳米二氧化锆复合吸附除磷剂，由以下重量份原料制成：氧化石墨烯1-40份，纳米二氧化锆1-30份；还原氧化石墨烯/纳米二氧化锆复合材料的制备：将氧化石墨烯超声分散在去离子水中，配制1g/L的氧化石墨烯分散液，将0.01-0.1g的经前处理的纳米二氧化锆加入到一定体积的1g/L氧化石墨烯溶液中，搅拌1-3h后，转移悬浮液至水热釜中，并在148-152℃环境下反应5-6h，获得的固体用去离子水洗涤，并于58-62℃的条件下在真空干燥箱中烘11-13h进行干燥，干燥得到的产物为还原氧化石墨烯/纳米二氧化锆复合材料。
上述还原氧化石墨烯/纳米二氧化锆复合材料作为吸附除磷剂使用具有性质稳定、吸附速度快、能够循环重复利用等优点，但是其在制备时，是采用纳米二氧化锆直接加入氧化石墨烯溶液中，纳米离子易团聚，不易分散，造成纳米二氧化锆在石墨烯片层上的分布均匀度较差，导致复合材料的比表面积及有效吸附面积有限，用于去除水体中的硫酸根离子，效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯负载氧化锆复合材料，比表面积大、吸附容量大，用作吸附剂去除水体中的硫酸根离子时效果显著。
本发明的第二个目的是提供一种上述的石墨烯负载氧化锆复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种上述的石墨烯负载氧化锆复合材料作为脱硫吸附剂的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种石墨烯负载氧化锆复合材料，是由包括以下步骤的方法制备的：
1)按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为(2～5):(5～8)的比例，将氧化石墨烯分散液与氧氯化锆溶液混合，后加入氢氧化钠至体系pH为8～14，得前驱混合物；
2)将步骤1)所得前驱混合物在190～210℃条件下进行水热反应20～60min，后经洗涤、干燥，即得。
步骤1)中，所述混合为超声混合，超声混合的时间为30～60min。所述超声混合的功率为50～100W。
步骤1)中，所述氢氧化钠是以氢氧化钠溶液的形式加入的，所述氢氧化钠溶液的浓度为1～4mol/L。在加入氢氧化钠溶液时，在超声并搅拌的条件下，采用缓慢滴加的方式加入；加入氢氧化钠溶液至体系pH为8～14后，超声并搅拌30min，得前驱混合物。
所述前驱混合物含有石墨烯/氢氧化锆复合前驱体。
步骤2)中，所述干燥为真空冷冻干燥；所述真空冷冻干燥是先在-20～-40℃条件下真空冷冻30min，再升温至40～60℃干燥3～4h。该操作通过冰的升华完成干燥过程。
本发明的制备方法中，搅拌的转速为100～200rpm。
本发明的石墨烯负载氧化锆复合材料在制备时，所用的氧化石墨是采用改进的Hummers方法制备的，即石墨粉在浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾作用下，经过低温(0～3℃)、中温(35℃)、高温(95～98℃)反应，再经过酸洗、水洗至中性，得到氧化石墨分散液，后经超声处理得到氧化石墨烯分散液。
步骤1)中，所述氧化石墨烯分散液是由包括以下步骤的方法制备的：
a)将浓硫酸、NaNO3、石墨粉与高锰酸钾在0～3℃条件下混合进行反应得混合物A；
b)将所得混合物A置于35℃条件下保温搅拌后，加水混合得混合物B；
c)将所得混合物B在95～98℃条件下保温搅拌后，加水稀释，再加入双氧水搅拌混合，经酸洗后，水洗至中性，得氧化石墨分散液；
d)将所得氧化石墨分散液进行超声处理，即得氧化石墨烯分散液。
所用的浓硫酸为质量浓度为98％的硫酸。
步骤a)中，所述NaNO3、石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:(1～4):(6～20)。
步骤a)中，所述浓硫酸的用量为：每1g石墨粉对应使用浓硫酸46～47ml。
步骤a)中，所述反应的时间为2h；步骤b)中，保温搅拌的时间为1h；步骤c)中，保温搅拌的时间为30min；步骤d)中，超声处理的时间为1～2h。超声处理的功率为50～100W。
步骤b)中，在加水之前，将体系置于冰水浴中；加水过程中控制体系的温度在60℃以下；加水的量为：每1g石墨粉对应加水80ml。
步骤c)中，在加水稀释之前，将体系置于室温条件下；加水的量为：每1g石墨粉对应加水150～200ml进行稀释。
步骤c)中，加入双氧水的量为：每1g石墨粉对应加入双氧水7.5～8.0ml。加入双氧水之后，体系由深褐色变为亮黄色，继续搅拌30min。所述双氧水的质量浓度为30％。
步骤d)中，所述酸洗是采用质量浓度为5％的盐酸进行洗涤；洗涤的次数为3～4次；每次洗涤后进行离心分离；离心分离的转速为3000～5000rpm，时间为5～10min。每次水洗后进行离心分离；离心分离的转速为8000～12000rpm，时间为8～15min。
本发明的石墨烯负载氧化锆复合材料，是以NaOH溶液为沉淀剂，加入氧化石墨烯与氧氯化锆水溶液中获得石墨烯/氢氧化锆复合前驱体，再采用水热法制备的；复合前驱体经水热反应后，生成的纳米氧化锆粒径均匀且均匀地负载在石墨烯表面，不仅防止了纳米氧化锆的团聚，使材料具有大的比表面积，又充分利用了氧化锆的高效吸附性能；该石墨烯负载氧化锆复合材料作为吸附剂去除水体中的硫酸根离子时，吸附容量大，吸附速率块，容易再生循环利用，具有良好的经济和环境效益，是一种具有广泛应用前景的吸附材料。
本发明的石墨烯负载氧化锆复合材料，是一种同时改性纳米氧化锆及石墨烯制备而成的复合吸附材料，沉淀法生成复合前驱体，再采用水热法在石墨烯片层上生成纳米氧化锆，将纳米氧化锆与石墨烯材料结合，利用氧化石墨烯表面的官能团易吸附离子的特性，有效地将纳米氧化锆与石墨烯表面牢固结合，充分发挥纳米离子与石墨烯的优异性能，两者协同作用，不仅可以保持大的比表面积，而且能够有效防止氧化锆颗粒的团聚。
一种上述的石墨烯负载氧化锆复合材料的制备方法，包括下列步骤：
1)按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为(2～5):(5～8)的比例，将氧化石墨烯分散液与氧氯化锆溶液混合，后加入氢氧化钠至体系pH为8～14，得前驱混合物；
2)将步骤1)所得前驱混合物在190～210℃条件下进行水热反应20～60min，后经洗涤、干燥，即得。
一种上述的石墨烯负载氧化锆复合材料作为除硫吸附剂的应用，包括采用所述石墨烯负载氧化锆复合材料吸附去除水体中的硫酸根离子。
上述的应用包括将石墨烯负载氧化锆复合材料加入待处理水体中，混合后分离，得净化水体和吸附有硫酸根离子的复合材料；所述石墨烯负载氧化锆复合材料与待处理水体的质量比为(0.0001～0.001):1。
所述待处理水体的温度为0～80℃，pH为2.0～12.0，硫酸根离子的初始浓度为0.125～1.0g/L。吸附时间为5min～4h；即石墨烯负载氧化锆复合材料与待处理水体的混合时间(接触时间)为5min～4h。优选的，所述待处理水体的pH<7。
上述的应用还包括对吸附有硫酸根离子的复合材料的再生，具体为：将吸附有硫酸根离子的复合材料置于浓度为0.5～4mol/L的氢氧化钠溶液中，搅拌混合1～4h后分离，即得再生复合材料；所述氢氧化钠溶液与吸附有硫酸根离子的复合材料的质量比为(2000～4000):1。所述再生的操作在室温下进行。
本发明的墨烯负载氧化锆复合材料作为除硫吸附剂的应用，该脱硫吸附剂具有比表面积大，吸附容量大，性质稳定的特点；作为吸附剂去除水体中的硫酸根离子，操作简单，吸附能力强，去除效果明显且易于分离；容易再生循环利用，具有良好的经济效益和环境效益，适合推广使用。
附图说明
图1为实施例1所得氧化石墨烯的SEM图；
图2为实施例1所得石墨烯负载氧化锆复合材料的XRD图；
图3为实施例1所得石墨烯负载氧化锆复合材料的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式中，搅拌的转速在100～200rpm范围内调节。
实施例1
本实施例的石墨烯负载氧化锆复合材料，是由以下方法制备的：
1)制备氧化石墨烯分散液：
a)在1000ml的烧杯中加入138ml浓硫酸(质量浓度为98％)，置于冰水浴中，搅拌条件下依次加入3.0g的NaNO3和3.0g的石墨粉，继续强力搅拌15min；缓慢加入18.0g的高锰酸钾，搅拌2h进行反应，得混合物A；
b)将盛有所得混合物A的烧杯置于35℃恒温水浴中，搅拌1h后，将烧杯转移至冰水浴中，滴加240ml的去离子水，体系温度控制在60℃以下，得混合物B；
c)将盛有所得混合物B的烧杯置于95℃水浴中，搅拌30min后；将烧杯转移至室温，搅拌条件下，加入600ml去离子水稀释，再滴加22.5ml、质量浓度为30％的双氧水，体系由深褐色变为亮黄色，继续搅拌30min后，用质量浓度为5％的盐酸洗涤并离心3次(酸洗每次离心的转速3000rpm，时间10min)，再用去离子水洗涤并离心至中性(水洗每次离心的转速10000rpm，12min)，得氧化石墨分散液；
d)将所得氧化石墨分散液进行超声处理1h(超声功率为100W)，即得氧化石墨烯分散液；
2)按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为2:8的比例，将氧化石墨烯分散液加入氧氯化锆溶液中，超声混合30min(超声功率为100W)，后缓慢滴入浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液至体系pH＝10，得前驱混合物；
3)将步骤2)所得前驱混合物在200℃条件下进行水热反应30min，冷却后经洗涤、真空冷冻干燥，即得所述石墨烯负载氧化锆复合材料。
其中，所述真空冷冻干燥是先在-20℃条件下真空冷冻30min，再升温至40℃干燥4h，通过冰的升华完成干燥过程。
本实施例制备过程中所得氧化石墨烯的SEM图如图1所示；本实施例所得石墨烯负载氧化锆复合材料的XRD图如图2所示，所得石墨烯负载氧化锆复合材料的SEM图如图3所示。
从图1可以看出，本实施例首先可制备出薄层具有明显褶皱状的氧化石墨烯。图2表明本实施例可制备出结晶完好的纳米氧化锆颗粒。图3为石墨烯负载氧化锆SEM图，可以看出本实施例制备出颗粒细小、尺寸均匀的纳米氧化锆颗粒均匀负载于石墨烯表面，有效阻止了纳米氧化锆颗粒的团聚，同时可使复合材料具有大的比较面积，作为吸附剂材料具有大的应用潜力。
实施例2
本实施例的石墨烯负载氧化锆复合材料，是由以下方法制备的：
1)制备氧化石墨烯分散液：
a)在0～3℃条件下，将1.0g的NaNO3和2.0g的石墨粉加入92ml的浓硫酸中，缓慢加入12.0g的高锰酸钾，搅拌2h进行反应，得混合物A；
b)将盛有所得混合物A的烧杯置于35℃恒温水浴中，搅拌1h后，滴加160ml的去离子水，体系温度控制在60℃以下，得混合物B；
c)将盛有所得混合物B的烧杯置于98℃水浴中，搅拌30min后；加入300ml去离子水稀释，再滴加15ml、质量浓度为30％的双氧水混合后，用质量浓度为5％的盐酸洗涤并离心4次(酸洗每次离心的转速4000rpm，时间5min)，再用去离子水洗涤并离心至中性(水洗每次离心的转速8000rpm，15min)，得氧化石墨分散液；
d)将所得氧化石墨分散液进行超声处理2h(超声功率为50W)，即得氧化石墨烯分散液；
2)按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为3:7的比例，将氧化石墨烯分散液加入氧氯化锆溶液中，超声混合30min(超声功率为70W)，后缓慢滴入浓度为2mol/L的氢氧化钠溶液至体系pH＝12，得前驱混合物；
3)将步骤2)所得前驱混合物在200℃条件下进行水热反应1h，冷却后经洗涤、真空冷冻干燥，即得所述石墨烯负载氧化锆复合材料。
其中，所述真空冷冻干燥是先在-30℃条件下真空冷冻30min，再升温至50℃干燥3.5h，通过冰的升华完成干燥过程。
实施例3
本实施例的石墨烯负载氧化锆复合材料，是由以下方法制备的：
1)制备氧化石墨烯分散液：
a)在1℃条件下，将0.25g的NaNO3和1.0g的石墨粉加入92ml的浓硫酸中，缓慢加入5.0g的高锰酸钾，搅拌2h进行反应，得混合物A；
b)将盛有所得混合物A的烧杯置于35℃恒温水浴中，搅拌1h后，滴加80ml的去离子水，体系温度控制在50℃以下，得混合物B；
c)将盛有所得混合物B的烧杯置于97℃水浴中，搅拌30min后；加入150ml去离子水稀释，再滴加8ml、质量浓度为30％的双氧水混合后，用质量浓度为5％的盐酸洗涤并离心4次(酸洗每次离心的转速5000rpm，时间5min)，再用去离子水洗涤并离心至中性(水洗每次离心的转速12000rpm，8min)，得氧化石墨分散液；
d)将所得氧化石墨分散液进行超声处理1h(超声功率为70W)，即得氧化石墨烯分散液；
2)按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为4:6的比例，将氧化石墨烯分散液加入氧氯化锆溶液中，超声混合1h(超声功率为50W)，后缓慢滴入浓度为0.5mol/L的氢氧化钠溶液至体系pH＝10，得前驱混合物；
3)将步骤2)所得前驱混合物在190℃条件下进行水热反应2h，冷却后经洗涤、真空冷冻干燥，即得所述石墨烯负载氧化锆复合材料。
其中，所述真空冷冻干燥是先在-40℃条件下真空冷冻30min，再升温至60℃干燥3h，通过冰的升华完成干燥过程。
实验例1
本实验例对实施例1所得石墨烯负载氧化锆复合材料的吸附性能进行检测。
实验方法：以所得石墨烯负载氧化锆复合材料为吸附剂，对含硫酸根废水进行吸附试验；所述含硫酸根废水为硫酸钠溶液，无其他干扰离子。实验过程中的技术参数及实验结果如表1所示。
表1实验例1的技术参数及实验结果
从表1可以看出，实施例1-3所得石墨烯负载氧化锆复合材料对水体中的硫酸根离子具有显著的吸附效果，且吸附速度快，吸附容量大。从实验组1-5可以看出，酸性环境更有利于石墨烯负载氧化锆复合材料对硫酸根的吸附；从实验组5-8可以看出，在一定浓度范围内，石墨烯负载氧化锆复合材料对硫酸根离子的吸附量随着水体中硫酸根离子浓度的升高而提高；从实验组9-12可以看出，30min即可达到吸附平衡，前20min已基本达到吸附平衡，石墨烯负载氧化锆复合材料对硫酸根的吸附速率快；从实验组12-14可以看出，随着水体温度的升高，石墨烯负载氧化锆复合材料对硫酸根的吸附容量略有上升。
实验例2
本实验例对实施例1-3所得石墨烯负载氧化锆复合材料吸附饱和后的再生性能进行检测。
实验方法：在吸附平衡后，收集吸附硫酸根离子后的石墨烯负载氧化锆复合材料；以浓度为1mol/L的NaOH溶液为脱附剂，将吸附硫酸根离子后的石墨烯负载氧化锆复合材料置于NaOH溶液中(NaOH溶液与吸附硫酸根离子后的石墨烯负载氧化锆复合材料的质量比为1500:1)，室温搅拌1h(脱附时间)，得再生复合材料；再生复合材料的吸附性能检测同实验例1。
经检测，实验例1中的实验组1中，吸附硫酸根离子后的石墨烯负载氧化锆复合材料按照本实验例的方法再生后，再进行吸附检测，饱和吸附量为222.95mg/g，再生率高达92％。
实施例2再生实验同实验例2，再生后饱和吸附量为208.7mg/g，再生率高达93.5％。
实施例3再生实验同实验例2，再生后饱和吸附量为186.27mg/g，再生率高达93.8％。

Claims (6)

1.一种石墨烯负载氧化锆复合材料作为除硫吸附剂的应用，其特征在于：包括采用所述石墨烯负载氧化锆复合材料吸附去除水体中的硫酸根离子；
所述石墨烯负载氧化锆复合材料是由包括以下步骤的方法制备的：
1）按照氧化石墨烯与氧氯化锆的质量比为（2～5）:（5～8）的比例，将氧化石墨烯分散液与氧氯化锆溶液混合，后加入氢氧化钠至体系pH为8～14，得前驱混合物；
2）将步骤1）所得前驱混合物在190～210℃条件下进行水热反应20～60min，后经洗涤、干燥，即得；
步骤1）中，所述氧化石墨烯分散液是由包括以下步骤的方法制备的：
a）将浓硫酸、NaNO3、石墨粉与高锰酸钾在0～3℃条件下混合进行反应得混合物A；
b）将所得混合物A置于35℃条件下保温搅拌后，加水混合得混合物B；
c）将所得混合物B在95～98℃条件下保温搅拌后，加水稀释，再加入双氧水搅拌混合，经酸洗后，水洗至中性，得氧化石墨分散液；
d）将所得氧化石墨分散液进行超声处理，即得氧化石墨烯分散液；
步骤a）中，所述NaNO3、石墨粉与高锰酸钾的质量比为1:（1～4）:（6～20）；
步骤a）中，所述浓硫酸的用量为：每1g石墨粉对应使用浓硫酸46～47ml。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：包括将石墨烯负载氧化锆复合材料加入待处理水体中，混合后分离，得净化水体和吸附有硫酸根离子的复合材料；所述石墨烯负载氧化锆复合材料与待处理水体的质量比为（0.0001～0.001）:1。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：还包括对吸附有硫酸根离子的复合材料的再生，具体为：将吸附有硫酸根离子的复合材料置于浓度为0.5～4mol/L的氢氧化钠溶液中，搅拌混合1～4h后分离，即得再生复合材料；所述氢氧化钠溶液与吸附有硫酸根离子的复合材料的质量比为（2000～4000）:1。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤1）中，所述混合为超声混合，超声混合的时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤1）中，所述氢氧化钠是以氢氧化钠溶液的形式加入的，所述氢氧化钠溶液的浓度为1～4mol/L。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：步骤a）中，所述反应的时间为2h；步骤b）中，保温搅拌的时间为1h；步骤c）中，保温搅拌的时间为30min；步骤d）中，超声处理的时间为1～2h。
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