CN107970894A - 一种cof/go吸附剂的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种COF/GO吸附剂的制备方法及应用。通过原位合成法将共价有机骨架材料COF‑TpPa‑1负载到氧化石墨烯GO表面获得COF/GO吸附剂，该方法可保证COF‑TpPa‑1在GO上紧密结合。GO是一种新型碳质吸附剂，而COF拥有较大的比表面积、轻质的密度，可作为良好的吸附材料，且COF表面存在的含氧官能团使其具有潜在的吸附能力。COF/GO吸附剂增加GO活性吸附位点，通过协同作用提高六价铬离子Cr(Ⅵ)吸附性能，同时负载过程反应要求低，操作简单，便于进行。因此，这种COF/GO吸附剂材料在材料制备和环境领域具有广泛的应用前景。

Description

一种COF/GO吸附剂的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种COF/GO吸附剂的制备方法及应用，属于材料制备和环境领域。
背景技术
随着社会工业化进程的进行，重金属污染对于人类生产、生活的影响日趋严重，重金属污染主要具有流动性强，不易降解，持续时间长的特点，这其中六价铬Cr(Ⅵ)因其具有高毒性从而引起社会广泛的关注，Cr(Ⅵ)一旦进入人体会致癌、致畸、致突变，同时富集在人体中不易排出，严重影响生态环境和人体健康。因此，对Cr(Ⅵ)的处理仍值得我们进一步研究。
至今针对水体中Cr(Ⅵ)污染的处理方法很多，但吸附法因其具有操作简单、无二次污染物产生、去除污染物时间短、效率高等优点而被广泛应用。在吸附处理中吸附剂决定了吸附效果 ，所以吸附剂的选择是吸附处理的关键。吸附剂可以分为无机吸附剂，例如：沸石，粉煤灰等；有机吸附剂，例如环糊精，海藻酸钠等；碳质吸附剂，例如活性炭等。但使用这些单一吸附剂进行吸附普遍存在吸附效果差，吸附剂易降解、循环再生能力弱的缺陷，所以目前吸附剂趋向于复合吸附材料的使用。Wang等，将壳聚糖与稀土钇复合制成纳米微球和纤维网并对Cr(Ⅵ)的吸附性能进行研究，纳米复合微球对Cr(Ⅵ)的最大吸附量可以达到52.88mg/g，复合纤维网对Cr(Ⅵ)的最大吸附量可以达到30.06 mg/g。Wang等虽然将有机吸附剂壳聚糖和稀土钇进行复合，但吸附量并没有显著增加。Hui等利用乙二胺修饰氧化石墨烯制备复合吸附剂，并对Cr(Ⅵ)进行吸附，通过实验得出Cr(Ⅵ)的去除率可以达到95%以上。
氧化石墨烯(GO)是一种新型碳质吸附剂，由石墨通过强氧化剂处理得到只有一个碳原子厚度且表面带有含氧官能团的二维碳结构材料。这种独特的结构决定了其具有高电子迁移率，高热阻，高强度，同时具有较大的比表面积，同时表面存在的含氧官能团，例如羧基，环氧基，羟基等，这些含氧官能团作为活性吸附位点，在对Cr(Ⅵ) 吸附时起到配位作用，这些性质使得GO在理论上具有较好的吸附能力。
但是单独使用GO作为吸附剂仍存在着含氧官能团数量有限的缺陷，引起在与氢键的作用下相互占用而导致吸附能力降低的问题。为了解决这一问题，可以将GO与共价有机骨架材料（COF）进行复合。2005年Omar. M. Yaghi在Science期刊上首次提出COF，它是一种新型的有机共价键链接的有序的框架结构。相比于其他的多孔材料，COF拥有较大的比表面积、轻质的密度，可作为良好的吸附材料，且COF表面存在的含氧官能团使其具有潜在的吸附能力。
发明内容
本发明是要解决现有的Cr(Ⅵ)吸附剂存在的吸附量小，吸附效率低的技术问题，从而提供了一种COF/GO吸附剂的制备方法及应用。
本发明的一种COF/GO吸附剂的制备方法是按以下步骤进行的：
（1）采用改性Hummer法制备氧化石墨烯GO；
（2）制备共价有机骨架材料COF-TpPa-1负载于氧化石墨烯GO上。
按上述方案，步骤二中所述的步骤一得到的氧化石墨粉末的质量与混合溶液的体积比为1mg∶（1~10）mL。
本发明通过原位合成法将共价有机骨架材料COF-TpPa-1负载到氧化石墨烯GO表面，该方法可保证COF-TpPa-1在GO上紧密结合。GO是一种新型碳质吸附剂，而COF拥有较大的比表面积、轻质的密度，可作为良好的吸附材料，且COF表面存在的含氧官能团使其具有潜在的吸附能力。COF/GO吸附剂增加GO活性吸附位点，通过协同作用提高六价铬吸附性能，同时负载过程反应要求低，操作简单，便于进行。因此，这种COF/GO吸附剂材料在材料制备和环境领域具有广泛的应用前景。
本发明包括以下有益效果：
1、本发明所使用的COF/GO吸附剂，通过将COF修饰到GO上，使吸附效果明显增强。本发明制备的吸附剂提升了催化剂的吸附性能，有利于吸附剂的实际应用，为环境中重金属污染提供一种新颖、高效的去除方法。
2、本发明所使用的COF/GO吸附剂针对Cr(Ⅵ)的实际吸附量较大，在Cr(Ⅵ)的初始浓度为100 mg/L时，最大吸附量可以达到185.34 mg/g。该吸附达到吸附平衡时间较短，2 h内即可以达到吸附平衡，实际应用范围广。
3、本发明所使用的COF/GO吸附剂在制备过程中，使用原料廉价易得，节约成本，本身化学性质稳定，在制备过程中，操作简单，工艺参数易控制，有利于推广应用。
附图说明
图1为GO的TEM图；
图2为试验一制备的COF/GO吸附剂的SEM图；
图3为时间对COF/GO吸附剂吸附Cr(Ⅵ)的影响。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种COF/GO吸附剂的制备方法是按以下步骤进行的：
一、采用改性Hummer法制备GO：在冰水浴条件下，温度控制在-4~4 ℃，将石墨粉和浓硫酸混合，机械搅拌10~30 min后，向其中缓慢加入KMnO4继续搅拌1~2 h，维持温度0~4 ℃，随后升高温度到40~50 ℃，机械搅拌60~90 min，然后向混合液中逐滴加入蒸馏水，使温度升高到95~98 ℃，并在该温度下维持10~20 min，然后加入蒸馏水进行稀释，再逐滴加入质量分数为30%的H2O2溶液，反应体系变成金黄色，冷却至室温，使用5%盐酸和蒸馏水洗涤至中性得到GO分散液，在40~60℃下真空干燥12~24h，得到GO粉末。
步骤一中所述的石墨粉的质量与浓硫酸的体积比为1g∶（10~25）mL；步骤一中所述的石墨粉与KMnO4的质量比为1∶（2~5）；步骤一中所述的石墨粉质量与蒸馏水的体积比1g∶（100~150）mL；步骤一中所述的石墨粉的质量与质量分数为30%的H2O2溶液的体积比1g∶（10~20）mL。
二、COF-TpPa-1的制备：在一个耐热玻璃管填充1，3，5-三醛基间苯二酚（63mg，0.3 mmol，简称Tp）和对苯二胺（48mg， 0.45 mmol，简称Pa-1），1.5mL均三甲苯，1.5mL二氧六环，0.5mL的3M醋酸水溶液，将装有混合溶液的玻璃管超声10min以保证均匀分散，将步骤一得到的GO粉末加入混合物中，超声20~40 min后，玻璃管在液氮77K下快速冷冻，三次冷冻解冻循环后排除溶解的空气。将玻璃管密封，置于120℃烘箱内3天。所得沉淀通过离心或者过滤分离，用无水丙酮冲洗。收集到的粉末用无水丙酮进行溶剂交换5-6次，然后在180℃下真空干燥24小时可获得所得粉末。
步骤二中所述的步骤一得到的GO粉末的质量与混合溶液的体积比为1mg∶1mL。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的GO粉末的质量与混合溶液的体积比为1mg∶5mL；其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的GO粉末的质量与混合溶液的体积比为1mg∶10mL；其他与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验：本试验的一种COF/GO吸附剂的应用，具体是按以下步骤完成的：
使用COF/GO吸附剂对Cr(Ⅵ)进行吸附，使用紫外可见分光光度法测定不同溶液浓度。实验中使用重铬酸钾(K2Cr2O7)模拟Cr(Ⅵ)废水，采用二苯碳酰二肼分光光度法测定溶液中Cr(Ⅵ)浓度。
相对于单独GO的吸附量83.23mg/g，吸附剂COF/GO的吸附量明显增加且具有较大吸附量，适宜在实际生产中对含Cr(Ⅵ)废水进行吸附。
GO的TEM图如图1所示；本试验制备的COF/GO吸附剂的TEM图如图2所示；从图1和图2可以看出，GO的结构中出现褶皱，COF/GO褶皱增大，GO的TEM图出现褶皱是由于表面存在含氧官能团，由于将COF-TpPa-1负载到了GO表面，褶皱增大。
为了判断COF/GO吸附剂的吸附性能，采用静态吸附实验方式对吸附剂的吸附性能进行测试，由于Cr(Ⅵ)主要是以阴离子的形式存在于溶液中，所以静态吸附实验选择重铬酸钾配制Cr(Ⅵ)溶液，本发明对于吸附剂的吸附性能探究主要对溶液初始pH，Cr (Ⅵ)初始浓度，吸附时间以及循环再生能力进行研究。实验方法如下：
在303 K的温度条件下，向100 mL锥形瓶中加入50 mL不同初始浓度的Cr(Ⅵ)溶液，并向其中加入20 mg COF/GO吸附剂，然后在恒温震荡培养箱中以180 rmp转速下振荡，保证吸附剂与溶液充分接触，吸附结束后离心分离，取上清液，并采用二苯碳酰二肼分光光度法对溶液中Cr(Ⅵ)浓度进行测定，本发明以吸附剂的吸附量作为判断吸附性能的标准，计算方式如下所示：Qt=(C0-Ct)*V/m。
其中Qt表示吸附t h后的吸附量(单位：mg/g)。当吸附时间足够长，吸附达到平衡时，此时吸附量为平衡吸附量，本发明采用Qe 表示平衡吸附量(单位：mg/g)。C0表示Cr(Ⅵ)溶液的初始浓度(单位：mg/L)。Ct表示吸附t h后Cr(Ⅵ)溶液的浓度(单位：mg/L)。m表示吸附剂的投加量(单位：g)。V表示加入Cr(Ⅵ)溶液的体积(单位：L)。
在开始吸附前2 h每隔10 min取样测定Cr(Ⅵ)浓度，当吸附进行2~3 h时每隔20min取样测定Cr(Ⅵ)浓度，当吸附进行3~4h时每隔30min取样测定Cr(Ⅵ)浓度，当吸附进行5~12 h时每隔60 min取样测定Cr(Ⅵ)浓度，为了排除误差3组静态吸附实验同时进行，实验条件为初始浓度为200 mg/L Cr(Ⅵ)溶液，吸附时间对COF/GO吸附剂吸附Cr(Ⅵ)的影响如图3所示，1、2、3分别为具体实施例一、二、三所得材料；从图3可以看出，当吸附时间为2 h时，具体实施例一所得材料吸附量为185.34 mg/g，吸附时间大于2 h时，吸附量基本维持在180 mg/g，这说明COF/GO吸附剂在吸附2 h即达到吸附平衡，吸附平衡时间较短。

Claims (3)

1.一种COF/GO吸附剂的制备方法，其特征在于通过原位合成法将共价有机骨架材料COF-TpPa-1负载到氧化石墨烯GO表面获得COF/GO吸附剂。
2.根据权利要求1所述的一种COF/GO吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用改性Hummer法制备氧化石墨烯GO；
（2）制备共价有机骨架材料COF-TpPa-1负载于氧化石墨烯GO上。
3.根据权利要求2所述的一种COF/GO吸附剂的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的步骤一得到的氧化石墨粉末的质量与混合溶液的体积比为1mg∶（1~10）mL。
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