CN108579671B

CN108579671B - 一种用于重金属离子吸附的碳量子点及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN108579671B
Application number: CN201810062228.1A
Authority: CN
Inventors: 刘学; 吴亚培; 张国林; 吴秋华
Original assignee: Liaoning University
Current assignee: Liaoning University
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: CN108579671A

Abstract

本发明涉及一种用于重金属离子吸附的碳量子点及其制备方法和应用。以二硫苏糖醇和乙二胺为碳源，将二者溶于超纯水中，制得混合液；将制得的混合液置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中，置于干燥箱中180℃高温反应12小时；反应结束后，将反应物自然冷却至室温，离心取上清液，将上清液进行透析，冷冻干燥，得到碳量子点。对银、铅、铜、镉、铬、锌、镍、锰等重金属离子具有吸附作用。本发明制备的碳点平衡吸附量大、吸附效率高并且吸附速度快，其制备方法工艺简单、易于操作，制备成本低，易于推广。

Description

一种用于重金属离子吸附的碳量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于荧光纳米材料和化学化工领域，具体涉及一种用于重金属离子吸附、沉淀的碳量子点(简称碳点)的制备方法和应用。

背景技术

工业的快速发展带来了越来越多的环境问题。重金属离子在工业中由于其技术重要性而几乎不可被替代，与有机污染物不同的是，重金属离子在环境中是不可生物降解的，而且可以在生物体和食物链中积累。如果将带有重金属离子的工业废水直接排放到自然环境中，不仅会对环境生态系统造成广泛危害，而且还会危及人类的健康。因此，许多方法包括化学沉淀、离子交换、吸附、膜过滤、电化学处理技术被用来去除工业废水中的重金属离子。在这些方法中，开发低成本的吸附材料通过吸附除去重金属离子最有应用前景的方法之一。

目前常用的吸附材料包括活性炭、沸石、无机氧化物、改性二氧化硅和仿生材料。与传统的吸附剂相比，纳米级别的吸附剂材料能够显著提高它们的金属去除性能。碳量子点作为一种新型的荧光纳米半导体材料得到了广泛的关注和研究，特别是碳点与金属离子之间的相互作用使得碳点有望成为一种良好的吸附材料用于重金属的吸附。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型吸附材料的制备方法用于吸附重金属离子产生沉淀。提供一种无毒性，溶液稳定性好，并且具有高吸附量和吸附效率的碳点制备方法。该碳点对银、铅、铜、镉、铬、锌、镍、锰等重金属离子具有良好的吸附作用，能够与这些金属离子发生作用产生沉淀继而实现溶液中重金属离子的处理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种用于重金属离子吸附的碳量子点，制备方法包括如下步骤：

1)以二硫苏糖醇和乙二胺为碳源，将二者溶于超纯水中，制得混合液。

2)将步骤1)制得的混合液置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中，置于干燥箱中180℃高温反应12小时。

3)反应结束后，将反应物自然冷却至室温，离心取上清液，将上清液进行透析，冷冻干燥，得到碳点。

上述的一种用于重金属离子吸附的碳量子点，优选的，按摩尔比，二硫苏糖醇:乙二胺＝1:5。

上述的一种用于重金属离子吸附的碳量子点，优选的，步骤3)中，透析用透析袋的截留分子量为1～14kDa。

上述的碳量子点在吸附重金属离子中的应用。所述的重金属为银、铅、铜、镉、铬、锌、镍和锰。当向含有重金属离子的溶液中加入碳量子点时，重金属离子会与碳点发生相互作用而沉淀出来，能够产生不同颜色的沉淀。碳量子点与银离子、铅离子和镍离子形成黑色沉淀；碳量子点与镉离子形成黄色沉淀；碳量子点与铬离子形成墨绿色沉淀；碳量子点与铜离子形成紫色沉淀；碳量子点与锰离子形成褐色沉淀；碳量子点与锌离子形成白色沉淀。

本发明带来的有益效果为：本发明制备的碳点工艺简单、易于操作，成本低，易于推广。同时具有吸附量高，吸附效率大等优点，能够实现对中重金属离子的吸附沉降。

附图说明

图1是实施例1制备的碳点扫描电镜图。

图2是实施例1制备的碳点紫外吸收谱图。

图3是实施例1制备的碳点红外吸收谱图。

图4是实施例1制备的碳点X射线光电子能谱分析图。

图5是实施例1制备的碳点对不同金属的吸附沉淀图。

图6a是实施例1的重金属铜、铬、锌、镍和锰吸附曲线图。

图6b是实施例1的重金属镉、银和铅吸附曲线图。

具体实施方式

一种用于重金属离子吸附的碳量子点，其制备方法为：

以二硫苏糖醇和乙二胺为碳源，将二硫苏糖醇和乙二胺加入超纯水中，制得混合液并转移至聚四氟乙烯内衬中，并将聚四氟乙烯内胆放入反应釜中；

将步骤1)中反应釜置于干燥箱中加热、反应；

待步骤2)中反应结束后，将反应物自然冷却至室温，之后依次经过离心、过膜，将滤液进行透析后冷冻干燥，得到碳点。

所述的二硫苏糖醇和乙二胺的比例为：摩尔比，二硫苏糖醇：乙二胺＝1:5。

所述的干燥箱功率为600-750W，加热时间为12小时。

所述的透析用透析袋的截留分子量为1～14kDa。

一种用于重金属离子处理的碳点的应用：所述碳点作为吸附材料用于重金属离子的吸附，应用在化学、环境工程和化学工程中。

向含有重金属离子的溶液中加入碳点，监测重金属离子的沉淀情况。

当向含有重金属离子的溶液中加入碳点时，重金属离子会与碳点发生相互作用而沉淀出来，从而实现对重金属离子的处理。

以下通过非限定性实例进一步详细说明本发明。

实施例1

(一)用于重金属离子吸附的碳量子点的制备：

称取0.3g二硫苏糖醇，1g乙二胺，溶于9mL超纯水中，完全溶解后，转移至聚四氟乙烯内衬反应釜中，180℃反应12小时。反应结束后，冷却至室温，离心取上清液，并将上清液以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时，将溶液取出，冷冻干燥，得到用于重金属离子吸附的碳量子点，于4℃下保存。

(二)检测

1、将制备的碳量子点，进行电镜扫描，结果如图1所示，从图1可以看出，制备的碳量子点平均粒径为5nm，且分布均匀，成均匀分布的球形颗粒。

2、紫外-可见光吸收光谱检测：

将制备的碳量子点样品用超纯水配成溶液，进行紫外-可见光吸收光谱检测，结果如图2所示，从图2可见，225nm左右和265nm左右的两个吸收峰分别是π-π*跃迁和n-π*跃迁，可以证明碳点结构的形成。

3、红外光谱检测：

将制备的碳量子点样品用傅里叶红外光谱仪进行检测，结果如图3所示，从图3可见，在3425-3127cm^-1的范围内，它是由N-H和O-H键引起的。由于C-H拉伸振动，在2927cm^-1处有峰，1665cm^-1处的峰归因于C＝O振动吸收。同时，1403cm^-1的峰归属C-NH-C键，1048cm^-1可以被鉴定为C-O和C-O-C键。碳点的所有这些特征峰提供了存在含氧官能团(例如，-OH和-COOH)的证据，这极大地改善了碳点的水溶性以及碳点和金属离子之间的相互作用。

4、X射线光电子能谱分析检测：

X射线光电子能谱(XPS)检测如图4所示，从图4可见，碳点表现出五个明显的特征峰在531.8eV、398.4eV、285.08eV、229.4eV和164.58eV，分别对应O1s，N1s，C1_S，S2s，S2p。这些结果表明，所制备的碳点主要由C、O、N和S四种元素组成。

5、碳点与重金属作用形成沉淀：

取十支相同的小试管，分别加入3mL碳量子点溶液、蒸馏水、银离子溶液、铅离子溶液、镍离子溶液、锰离子溶液、镉离子溶液、铜离子溶液、铬离子溶液，锌离子溶液，并且各个金属离子溶液浓度相同且为20mM。然后分别向各金属离子溶液中加入10μL质量浓度为0.0074mg/L碳量子点溶液，立即有不同颜色的沉淀出现并最终沉降在底部。由图5可以看出，空白碳点与蒸馏水为无色透明液体，碳点与银、铅和镍形成的沉淀为黑色；碳点与镉形成的沉淀为黄色；碳点与铬形成的沉淀为墨绿色；碳点与铜形成的沉淀为紫色；碳点与锰形成的沉淀为褐色；碳点与锌形成的沉淀为白色。

6、重金属吸附曲线图：

配置不同浓度梯度的金属离子，加入相同浓度的碳点，沉淀完全后，过膜除去沉淀物。然后利用ICP-MS测试剩余金属离子的含量，继而得到碳点吸附重金属离子的量。根据重金属离子的初始浓度与被吸附的量得到图6a和图6b。图6a和图6b显示了吸附的重金属离子浓度与加入重金属初始浓度之间的关系。从图6a和图6b可以看出，吸附平衡时碳点对银离子、铅离子以及镉离子的吸附量较大。这主要是因为银、镉与铅为第三周期以及第四周期的元素，其配位数比处于第二周期的铜、铬、锌、镍和锰元素要大。

7、制备的碳点对不同金属离子的吸附量与吸附效率：

利用6得到的数据，通过公式计算出碳点对重金属离子的吸附量与吸附效率：

q_e(mg/g)：碳点的平衡吸附量；C₁(mg/L)和C₂(mg/L)分别是溶液中金属离子的初始浓度和残留浓度；M(mg)是碳点的重量，V(L)是水溶液的体积；SE(％)：碳点的吸附效率。计算结果如表1。

表1碳点对不同金属离子的吸附量与吸附效率。

从表1中可以得到碳点对银离子的平衡吸附量为275.751mg/g，吸附效率为60.3％；对铅离子的平衡吸附量为244.3mg/g，吸附效率为45.4％；对镉离子的平衡吸附量为192.7mg/g，吸附效率为41.6％；对锌离子的平衡吸附量为147.6mg/g，吸附效率为80.3％；对锰离子的平衡吸附量为131.9mg/g，吸附效率为76.3％；对铬离子的平衡吸附量为152.8mg/g，吸附效率为65.8％；对镍离子的平衡吸附量为65.3mg/g，吸附效率为32.6％；对铜离子的平衡吸附量为50.1mg/g，吸附效率为25.1％。

Claims

1.一种用于重金属离子吸附的碳量子点，其特征在于，制备方法包括如下步骤：

1）以二硫苏糖醇和乙二胺为碳源，将二者溶于超纯水中，制得混合液；

2）将步骤1）制得的混合液置于聚四氟乙烯内衬的反应釜中，置于干燥箱中180 ℃高温反应12小时；

3）反应结束后，将反应物自然冷却至室温，离心取上清液，将上清液进行透析，冷冻干燥，得到碳量子点。

2.根据权利要求1所述的一种用于重金属离子吸附的碳量子点，其特征在于：按摩尔比，二硫苏糖醇 : 乙二胺=1: 5。

3.根据权利要求1所述的一种用于重金属离子吸附的碳量子点，其特征在于：步骤3）中，透析用透析袋的截留分子量为1～14 kDa。

4.权利要求1所述的碳量子点在吸附重金属离子中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的重金属为银、铅、铜、镉、铬、锌、镍和锰中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，向含有重金属离子的溶液中，加入权利要求1所述的碳量子点，产生不同颜色的沉淀。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，碳量子点与银离子、铅离子和镍离子形成黑色沉淀；碳量子点与镉离子形成黄色沉淀；碳量子点与铬离子形成墨绿色沉淀；碳量子点与铜离子形成紫色沉淀；碳量子点与锰离子形成褐色沉淀；碳量子点与锌离子形成白色沉淀。