CN106955671B - 三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球及制备方法 - Google Patents

三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球及制备方法，以高分散性的氧化石墨和具有多孔结构的硅藻土为主要原材料，氧化石墨烯海藻酸钠为复合成膜物质，在微波工艺条件下利用水分子的快速蒸发所产生的膨胀作用，无机粒子硅藻土的模板效应以及氧化石墨烯之间的范德华力和纳米纤维增强效应，最终实现内部三维多孔结构的构造。该三维多孔结构复合吸附微球充分利用氧化石墨烯高比表面积、硅藻土的多孔结构特性以及氧化石墨烯六元环上附有的大量环氨基、羟基、羧基等负电性官能团，硅藻土表面附有的不同种类羟基改善材料吸附性能。同时借助这种微波工艺条件下形成的三维孔洞构造进一步提升材料的综合吸附性能。改善了石墨烯吸附材料的制备工艺相对复杂、成本高、应用困难等问题。

Description

三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球及制备方法
技术领域
本发明提供一种三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球，具有独特三维多孔结构；同时还提供了其制备方法，属于吸附材料技术领域。
背景技术
印染废水毒性强、色度深、难生化降解，是工业废水治理中的难点之一。常规的水处理工艺如混凝沉淀法、生物降解法或无机超滤膜过滤等用于染料废水处理效果并不理想，而吸附技术因其高性价比已成为染料废水处理的重要技术。同时，如何提升吸附材料的性能，扩大其应用领域已成为目前研究的热点。因此，开发一种新型高效的吸附材料，改善水体有机染料等污染物污染问题具有重要意义。
石墨烯作为新兴明星材料，由于其独特的二维结构、高比表面积、导电性等性能，自2004年发现以来吸引了全世界的广泛关注。石墨烯由于具有极大的比表面积，理论值高达2620m2/g，被认为是一种具有良好应用前景的吸附剂。同样硅藻土由于其具有疏松多孔的结构特征、较大的比表面积（20-100 m2/g）、较好的化学稳定性以及较低的成本，被广泛用于污水处理、环境修复等领域。但石墨烯由于成本高、材料分散困难等问题使其应用受到一定的限制。然而，如果将石墨烯的优异性能与硅藻土有机结合，达到使用较少填料的状态下，充分发各自的优点，降低成本、提升产品综合吸附性能的目的。这必将促进新型吸附材料的发展与进步。
相比石墨烯吸附材料的制备工艺相对复杂、成本高、应用困难等问题，本发明以高分散性的氧化石墨和多孔结构的硅藻土为主要原材料，在微波工艺条件下利用水分子的快速蒸发所产生的膨胀作用以及无机粒子硅藻土的模板效应，制备具有独特三维多孔结构的氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球，该方法具有制备工艺简单、绿色环保、无毒害、成本低廉、球体物理性能优、吸附效率高等优点。该研究在国内外尚无报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有独特三维多孔结构的氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球及其制备方法，该方法具有制备工艺简单、绿色环保、无毒害、成本低廉、球体具有良好的物理性能、吸附效率高等优点。能够吸附以亚甲基蓝为代表的有机污染物。
本发明所述的一种三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球，
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5g：（100ml-400ml）的比例充分溶解，待用；
2）将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将5g-15g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中，待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应30-120min，待反应完毕后用去离子水洗涤2-3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为600-1200W的条件下处理10-30min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球。
本发明的积极效果在于：
以高分散性的氧化石墨和具有多孔结构的硅藻土为主要原材料，氧化石墨烯海藻酸钠为复合成膜物质，在微波工艺条件下利用水分子的快速蒸发所产生的膨胀作用，无机粒子硅藻土的模板效应以及氧化石墨烯之间的范德华力和纳米纤维增强效应，最终实现内部三维多孔结构的构造。该三维多孔结构复合吸附微球充分利用氧化石墨烯高比表面积、硅藻土的多孔结构特性以及氧化石墨烯六元环上附有的大量环氨基、羟基、羧基等负电性官能团，硅藻土表面附有的不同种类羟基改善材料吸附性能。同时借助这种微波工艺条件下形成的三维孔洞构造进一步提升材料的综合吸附性能。改善了石墨烯吸附材料的制备工艺相对复杂、成本高、应用困难等问题。
附图说明：
图1为本发明所制备三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球表面结构图；
图2为本发明所制备三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球断面微孔结构图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述
实施例1：
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5：100（g/ml）的比例充分溶解待用；
2）首先将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将5g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应30min，待反应完毕后用去离子水洗涤3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为600W的条件下处理25min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球；三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球微观结构见图1、图2。
实施例2
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5：150（g/ml）的比例充分溶解待用；；
2）首先将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将8g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应40min，待反应完毕后用去离子水洗涤3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为700W的条件下处理20min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球； 三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球微观结构见图1、图2。
实施例3
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5：200（g/ml）的比例充分溶解待用；；
2）首先将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将10g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应60min，待反应完毕后用去离子水洗涤3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为900W的条件下处理18min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球；三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球微观结构见图1、图2。
实施例4
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5：300（g/ml）的比例充分溶解待用；；
2）首先将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将12g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应80min，待反应完毕后用去离子水洗涤3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为1000W的条件下处理15min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球；三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球微观结构见图1、图2。
实施例5
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5：350（g/ml）的比例充分溶解待用；；
2）首先将0.15g的氧化石墨烯置于50ml去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将15g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100ml去离子水中待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应110min，待反应完毕后用去离子水洗涤3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为1200W的条件下处理10min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球；三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合微球微观结构见图1、图2。
通过以下吸附性能测试表明本发明的积极效果：
试验方法：以上实施例1-5所制备的三维多孔结构的氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球粒径尺寸为0.1-5mm，并用于吸附以亚甲基蓝为代表的有机污染物其数据如下表所示。
实验材料：实施例1-实施例5所制备的三维多孔结构的氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球。
实验结果见表1：
附表吸附率相关数据
表1 对浓度为10mg/L亚甲基蓝的吸附率数值
序号 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
吸附率（%） 99.1 99.2 99.5 99.6 99.9
结论：
上述试验表明本发明产品的吸附性能及其优异，最佳静态吸附率达到了99.9%。同时，该方法具有制备工艺简单、绿色环保、无毒害、成本低廉、球体物理性能优、吸附效率高等优点。并扩大了氧化石墨烯在吸附材料领域中的应用范围。

Claims (1)

1.一种三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球的制备方法，包括以下步骤：
1）将海藻酸钠与去离子水按2.5g：（100mL -400mL ）的比例充分溶解，待用；
2）将0.15g的氧化石墨烯置于50mL 去离子水中超声分散2h后，加入到步骤1）的海藻酸钠水溶液中，再将5g-15g硅藻土加入，超声搅拌20min；
3）以氯化钙溶液为固定液，将5g氯化钙溶于100mL 去离子水中，待用；
4）缓慢均匀的将步骤2）的氧化石墨烯硅藻土海藻酸钠混合溶液滴入质量分数为5%的氯化钙固定液中反应30-120min，待反应完毕后用去离子水洗涤2-3次备用；
5）将步骤4）制备的产品在微波功率为600-1200W的条件下处理10-30min，获得具有独特三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球；
制备的三维多孔结构氧化石墨烯硅藻土复合吸附微球：尺寸为0.1-5mm；内部结构为三维多孔结构；对亚甲基蓝的吸附率48h内大于99%。
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