CN108928812A - 一种基于碳基材料的离子收集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳基材料进行离子收集的方法。所述方法包括如下步骤：(1)将碳基材料进行预处理；(2)将步骤(1)得到的经预处理后的碳基材料浸泡在盐溶液中，其中，所述步骤(1)包括以下步骤：a.将碳基材料在溶液中超声处理；b.将超声处理后的碳基材料用去离子水清洗，并烘干待用。本发明的方法具有较高的普适性，能在钠盐、钾盐、氯盐等盐的水溶液或有机溶液中使用。该方法制备过程简单，易于操作，能耗低，解决了净水过程中盐离子去除的难点问题，开辟了富集离子的新途径，在水处理领域具有重要的意义，具有良好的应用和市场推广前景。

Description

一种基于碳基材料的离子收集方法
技术领域
本发明属于水处理领域，具体地，涉及一种基于碳基材料的离子收集方法。
背景技术
随着全球人口的急速增长以及大规模工业化进程，洁净的淡水资源日益匮乏，如何获得干净且价格低廉的淡水是全世界面临的难题，尤其是像我国这样水资源相对短缺的发展中国家，淡水资源匮乏的问题尤为严峻。因此，海水的脱盐淡化以及劣质水的净化是有效解决水资源短缺问题的重要途径之一[Nature 452，301(2008)]。
近年来，随着纳米科技的快速发展，基于纳米技术的净水膜为提高滤膜的净水效率等技术的突破提供了重要的契机。多个实验表明，以碳纳米管为代表的碳基材料具有很好的水渗透能力[Science 312，1034(2006)]，人们预期其在水处理领域方面具有巨大的应用前景[Science 333，712(2011)]。目前国内外研究学者对高浓度溶液中的离子收集做过一些尝试，例如采用电场的方法[J.Am.Chem.Soc.133，203-205(2010)；Science 329，1320-1324(2010)]，但是以上方法是在极端条件下，即高浓度溶液、强酸和外加电场中才能进行离子收集。具体来说，在制备碳纳米管的原料加入填充的材料的技术，需通过电弧放电方法在制备碳纳米管中把某些材料填充进去[Nature 372，761(1994)]；或者需要把碳纳米管混合在高温熔融的熔盐或共晶熔盐中，才把某些盐填充到碳纳米管中[Journal of solidstate chemistry 140，83(1998)]；另外，把碳纳米管浸泡在强酸性的饱和盐溶液中也能填充某些金属[J.Mater.Res.15，2658(2000)]。以上方法费时费力，成本巨大，而且只能用于高浓度的盐溶液的处理，而对低浓度盐溶液的离子收集则没有简单、高效的方法。因此本领域急需一种新的基于碳基材料的对低浓度盐溶液中的离子进行收集的方法。
发明内容
本发明的目的是要解决在水处理领域缺乏一种简单、可靠的、基于碳基材料进行低浓度溶液中离子收集的方法。本发明的方法所用碳基材料具有高效的离子收集能力，且收集的盐浓度远高于初始浓度。另外，此方法具有较高的普适性，能在钠盐、钾盐、氯盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等水溶液或其他有机溶液中使用。该方法制备过程简单，易于操作，能耗低，解决了净水过程中低浓度溶液盐离子去除的难点问题，开辟了富集离子的新途径，在水处理领域具有重要的意义，具有良好的应用和市场推广前景。
本发明主要是通过以下技术方案解决上述技术问题的。
本发明提供了一种基于碳基材料的离子收集方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将碳基材料进行预处理；
(2)将步骤(1)得到的经预处理后的碳基材料浸泡在盐溶液中；
其中，所述步骤(1)包括以下步骤：
a.将碳基材料在溶液中超声处理；
b.将超声处理后的碳基材料用去离子水清洗，并烘干待用。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤a中的溶液可为甲醇、乙醇和丙酮中的一种或多种，优选为乙醇。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤a中超声处理时间可为5-100分钟，优选10-60分钟，更优选20分钟。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤b中烘干温度可为50-120℃，优选50-80℃，更优选60℃。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤b中烘干时间可为12-36小时，优选24小时。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤a中超声处理的功率可为50-300W，优选80-220W，更优选99W。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的离子包括阳离子和阴离子，所述的阳离子可为钠离子、钾离子、镁离子、钙离子或锌离子，优选钠离子或钾离子；所述的阴离子可为硝酸根离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氟离子、氯离子、溴离子或碘离子，优选氯离子或硝酸根离子。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤(2)中浸泡时间可为0.1-2h，优选0.2-1h，更优选0.5h。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述步骤(2)中盐溶液可为盐的水溶液或盐的有机溶液。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的盐可为钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锌盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐或氯盐，优选钠盐、钾盐或氯盐。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的盐的水溶液可为氯化钠水溶液或氯化钾水溶液。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的盐的有机溶液的溶剂可为甘油、乙醇、二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿和甲苯中的一种或多种，优选乙醇、三氯乙烯和氯仿中的一种或多种，更优选乙醇。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的盐溶液中，离子浓度可为0.005-0.5M，优选0.015-0.25M，更优选0.034M。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的碳基材料可为碳纳米管，优选的碳纳米管为多壁碳纳米管。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的多壁碳纳米管内径可为1-50nm，优选5-15nm。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的多壁碳纳米管其他理化常数均为本领域常规理化常数。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，当碳纳米管内溶液饱和时停止收集。
所述的基于碳基材料的离子收集方法中，所述的方法还包括以下步骤：采用透射电子显微镜(TEM)观察浸润后的碳基材料，和/或采用能量扩散X射线光谱仪(EDX)观测碳基材料内收集的离子的浓度。
在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提出了一种全新的基于碳基材料对低浓度的盐溶液进行离子收集的方法，该方法所用的碳基材料具有高效的离子收集能力，且收集的盐浓度远高于初始浓度；并且本发明的方法使得人们能够直接观测到碳基材料收集离子的效果，具有较好的可操作性。
此外，本发明的方法具有较高的普适性，能在氯盐、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等水溶液或其他有机溶液中使用。该方法制备过程简单，易于操作，能耗低，解决了净水过程中低浓度盐溶液的盐离子去除的难点问题，开辟了富集离子的新途径，在水处理领域具有重要的意义，具有良好的应用和市场推广前景。
附图说明
图1为本发明实施例1测得的TEM检测图。(a)-(d)分别为不同内径的碳纳米管。如图所示，在不同碳纳米管中都可直接观测到有溶液状态的存在，证明此方法能使离子在碳纳米管内部聚集。
图2为本发明实施例1的TEM高角度环形暗场检测图(a)以及元素分布图(b)。从图中可以看出，Na、Cl两种元素的信号的宽度小于C元素(为纳米碳管的部分)，说明Na+以及Cl-两种离子是在纳米碳管之内，证明了离子可在碳纳米管内富集。
图3为本发明实施例1和实施例2中，将预处理后的纳米碳管在不同浓度的NaCl溶液中浸泡0.5小时后取出后，通过EDX测得的元素分布图。其中，(a)图为处理后的碳纳米管浸泡在0.015M的NaCl溶液后，八组碳纳米管内的Na/Cl/O的比例分布图，从图中可知，其中Na与Cl之比为1±0.3，通过Na:O比可知，管内的浓度相较于初始浓度高出了2-3个数量级；(b)图为处理后的碳纳米管浸泡在0.015-0.25M的NaCl溶液后，碳管内的Na:O比，横坐标为初始溶液的Na浓度，纵坐标为Na:O比，通过纵坐标与横坐标之值对比可知，管内的浓度相较于初始浓度高出了2-3个数量级。
图4为本发明实施例3的TEM高角度环形暗场检测图(a)以及元素分布图(b)。从图中可以看出，K、Cl两种元素的信号的宽度小于C元素(为纳米碳管的部分)，说明K+以及Cl-两种离子是在纳米碳管之内，也证明了离子可在碳管内富集。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
TEM测试碳纳米管内存在的离子收集情况
用分析纯的乙醇对内径为5-15nm的多壁碳纳米管进行超声处理20min，用去离子水清洗后，将碳纳米管放置在烘箱中60℃干燥处理24h。把处理好的碳纳米管放置在0.015M的NaCl溶液中浸泡0.5小时后取出，用TEM观测碳纳米管中的离子收集情况，并扫描获取的元素分布图用以分析碳纳米管内外离子的分布情况。实验结果表明，碳纳米管内收集到的离子浓度相较于初始溶液中的浓度，高出了2-3个数量级(见图3(a))。
实施例2
EDX测试碳纳米管内存在的元素比
用分析纯的乙醇对内径为5-15nm的多壁碳纳米管进行超声处理20min，用去离子水清洗后，将碳纳米管在烘箱中60℃干燥处理24h。把处理好的碳纳米管放置在0.015-0.25M的NaCl溶液中浸泡0.5小时后取出，进行EDX检测碳纳米管内外元素的分布情况。实验结果表明，碳管内收集到的离子浓度相较于初始溶液中的浓度，平均高出了2-3个数量级(见图3(b))。
实施例3
TEM测试碳纳米管内存在的离子收集情况
用分析纯的乙醇对内径为5-15nm的多壁碳纳米管进行超声处理20min，用去离子水清洗后，将碳纳米管放置在烘箱中60℃干燥处理24h。把处理好的碳纳米管放置在0.034M的KCl溶液中浸泡0.5小时后取出，用TEM观测碳纳米管中的离子收集情况，并扫描元素分布来表示碳纳米管内外离子的分布情况。实验结果表明，碳纳米管内收集到的离子浓度相较于初始溶液中的浓度，高出了2-3个数量级(见图4)。

Claims (11)

1.一种基于碳基材料的离子收集方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将碳基材料进行预处理；
(2)将步骤(1)得到的经预处理后的碳基材料浸泡在盐溶液中；
其中，所述步骤(1)包括以下步骤：
a.将碳基材料在溶液中超声处理；
b.将超声处理后的碳基材料用去离子水清洗，并烘干待用。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a中的溶液为甲醇、乙醇和丙酮中的一种或多种，优选乙醇；
和/或，所述步骤a中超声处理时间为5-100分钟，优选10-60分钟，更优选20分钟；
和/或，所述步骤b中烘干温度为50-120℃，优选50-80℃，更优选60℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离子包括阳离子和阴离子，所述的阳离子为钠离子、钾离子、镁离子、钙离子或锌离子，优选钠离子或钾离子；所述的阴离子为硝酸根离子、硫酸根离子、碳酸根离子、氟离子、氯离子、溴离子或碘离子，优选氯离子或硝酸根离子。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中浸泡时间为0.1-2h，优选0.2-1h，更优选0.5h。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中盐溶液为盐的水溶液或盐的有机溶液。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的盐为钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锌盐、氯盐、氟盐、碘盐、溴盐、硝酸盐、硫酸盐或碳酸盐，优选钠盐、钾盐或氯盐。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的盐的水溶液为氯化钠水溶液或氯化钾水溶液。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的盐的有机溶液的溶剂为甘油、乙醇、二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿和甲苯中的一种或多种，优选乙醇、三氯乙烯和氯仿中的一种或多种，更优选乙醇。
9.如权利要求5-8任一项所述的方法，其特征在于，所述的盐溶液中，离子浓度为0.005-0.5M，优选0.015-0.25M，更优选0.034M。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳基材料为碳纳米管，优选的碳纳米管为多壁碳纳米管。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述的多壁碳纳米管内径为1-50nm，优选5-15nm。
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