CN110124395A - 气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法 - Google Patents

气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法，该滤芯的原料包含：活性炭90％～99％，石墨烯0.1％～9.8％，表面活性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。该滤芯的制备方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，将活性炭进行改性处理；步骤3，将改性活性炭材料置于气相沉积设备内，在氢气、氩气的混合气中升温；步骤4，保持温度和气体流量不变，退火，随后通入乙炔气体，然后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降温；步骤5，生产出改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。本发明制备的石墨烯复合滤芯具有优异的过流杀菌、除垢等功能，可以广泛应用在各种净水器中，保护人们身体健康。

Description

气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法
技术领域
本发明涉及一种净水滤芯及制备方法，具体地，涉及一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法。
背景技术
滤芯是过滤净化功能领域的专业名词，是为了净化原流体的资源和资源的分离简便装置。现在滤芯主要用在油过滤、空气过滤、水过滤等过滤行业。
滤芯分离液体或者气体中固体颗粒，或者使不同的物质成分充分接触，加快反应时间，可保护设备的正常工作或者空气的洁净，当流体进入置有一定规格滤网的滤芯后，其杂质被阻挡，而清洁的流物通过滤芯流出。液体滤芯使液体(包括油、水等)使受到污染的液体被洁净到生产、生活所需要的状态，也就是使液体达到一定的洁净度。而要想达到优良的过滤效果，滤芯的材料选择是至关重要的。
石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过，导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料，化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种净水滤芯及制备方法，利用石墨烯气相沉积制备技术，以及活性炭生产制备体系生产一种功能性石墨烯复合活性炭，并利用滤芯生产设备生产出一种石墨烯压缩活性炭净水滤芯，该石墨烯复合滤芯具有优异的过流杀菌、除垢等功能，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，除去水中含有的细菌、水垢等杂质，净化水质，保护人们身体健康。
为了达到上述目的，本发明提供了一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其中，所述的滤芯的原料按质量百分比计包含：活性炭90％～99％，石墨烯0.1％～9.8％，表面活性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其中，所述的活性炭包含煤质活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭、果壳活性炭中的任意一种或多种。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其中，所述的表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其中，所述的添加剂包含聚丙烯酰胺、FOF、阳离子聚丙烯酸酰胺、多聚磷酸盐、螯合树脂中的任意一种或多种。
本发明还提供了上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，将活性炭进行改性处理；步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料置于气相沉积设备内，在氢气、氩气的混合气中升温；步骤4，保持温度和气体流量不变，退火，随后通入乙炔气体，然后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料；步骤5，利用步骤4所得的石墨烯改性活性炭复合材料生产出改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2包含：步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理，沥水后烘干，得到改性活性炭材料。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2.1中，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的步骤2.2中，将活性炭加入到所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的步骤3中，将改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
上述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其中，所述的步骤4中，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温。
本发明提供的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法具有以下优点：
本发明基于石墨烯功能基础上，利用石墨烯气相沉积法制备技术，以及活性炭生产制备体系生产一种石墨烯复合活性炭，并利用该改性石墨烯活性炭生产一种石墨烯压缩活性炭净化滤芯，该石墨烯复合滤芯具有优异的过流杀菌、除垢等功能，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，除去水中含有的细菌、水垢等，净化水质，保护人们饮水健康。
本方法制备的改性石墨烯复合压缩活性炭净水滤芯，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，该滤芯的原料按质量百分比计包含：活性炭90％～99％，石墨烯0.1％～9.8％，表面活性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。
优选地，活性炭包含煤质活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭、果壳活性炭等中的任意一种或多种。
表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮(PVP)、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺(DMF)等中的任意一种或多种。
添加剂包含聚丙烯酰胺、FOF、阳离子聚丙烯酸酰胺、多聚磷酸盐、螯合树脂等中的任意一种或多种。
FOF即法欧孚材料，由法国国家科学研究院(CNRS)化学部的科学家历经40年的研究，证实了一种无机盐混合物能够彻底阻止水垢的生成，并能延缓水对多种金属的腐蚀，这项技术被命名为“FOF”，自2007年起，法国FOF研究课题小组与中国的水处理技术专家联合，历经5年时间，在世界范围内首次合成出高纯度的FOF固体，使FOF技术成为产品并可以实现量产。
本发明还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：步骤1，按比例称取各原料；步骤2，将活性炭进行改性处理；步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料置于气相沉积设备内，在氢气、氩气的混合气中升温；步骤4，保持温度和气体流量不变，退火，随后通入乙炔气体，然后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料；步骤5，利用步骤4所得的石墨烯改性活性炭复合材料生产出改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
优选地，步骤2包含：步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理，沥水后烘干，得到改性活性炭材料。
步骤2.1中，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2中，将活性炭加入到所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3中，将改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
CVD(化学气相沉积)管式炉主要用于陶瓷、冶金、电子、玻璃、化工、机械、耐火材料、特种材料、建材、高校、科研院所、工矿企业做粉末焙烧、陶瓷烧结、高温实验、材料处理、质高校、科研院所、工矿企业做高温气氛烧结、气氛还原、CVD实验、真空退火等
步骤4中，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温。
步骤5中，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
本方法中采用的各设备均为本领域技术人员所已知的。
下面结合实施例对本发明提供的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法做更进一步描述。
实施例1
一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其原料按质量百分比计包含：活性炭99％，石墨烯0.1％，表面活性剂0.3％，添加剂0.6％。
优选地，活性炭包含煤质活性炭。表面活性剂包含聚乙烯醇。添加剂包含聚丙烯酰胺。
本实施例还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，将活性炭进行改性处理。其包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料。
步骤5，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
实施例2
一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其原料按质量百分比计包含：活性炭93％，石墨烯1.5％，表面活性剂0.5％，添加剂5％。
优选地，活性炭包含椰壳活性炭。表面活性剂包含聚乙二醇。添加剂包含FOF。
本实施例还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，将活性炭进行改性处理。其包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料。
步骤5，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
实施例3
一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其原料按质量百分比计包含：活性炭92％，石墨烯5％，表面活性剂1％，添加剂2％。
优选地，活性炭包含木质活性炭。表面活性剂包含木质素磺酸钠或聚乙烯吡络烷酮(PVP)。添加剂包含阳离子聚丙烯酸酰胺或多聚磷酸盐。
本实施例还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，将活性炭进行改性处理。其包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料。
步骤5，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
实施例4
一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其原料按质量百分比计包含：活性炭92.8％，石墨烯7％，表面活性剂0.2％，添加剂1％。
优选地，活性炭包含果壳活性炭。表面活性剂包含十二烷基吡咯烷酮和十二烷基磺酸钠。添加剂包含螯合树脂。
本实施例还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，将活性炭进行改性处理。其包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料。
步骤5，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
实施例5
一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其原料按质量百分比计包含：活性炭90％，石墨烯9.8％，表面活性剂0.1％，添加剂0.1％。
优选地，活性炭包含煤质活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭、果壳活性炭等中任意多种。表面活性剂包含二甲基甲酰胺(DMF)。
添加剂包含聚丙烯酰胺、FOF、阳离子聚丙烯酸酰胺、多聚磷酸盐、螯合树脂等中任意多种。
本实施例还提供了该气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，该方法包含：
步骤1，按比例称取各原料。
步骤2，将活性炭进行改性处理。其包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料。
步骤5，采用挤出型碳滤芯生产设备将石墨烯改性活性炭复合材料加工成改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
本发明提供的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯及制备方法，在制备石墨烯复合活性炭滤芯中，优先制备改性活性炭，将石墨烯复合在活性炭中。本发明利用石墨烯气相沉积制备技术，以及活性炭生产制备体系生产一种功能性石墨烯复合活性炭，并利用滤芯生产设备生产出一种石墨烯压缩活性炭净水滤芯，该石墨烯复合滤芯具有优异的过流杀菌、除垢等功能，可以广泛应用在各种场合条件下的净水器中，除去水中含有的细菌、水垢等杂质，净化水质，保护人们身体健康。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其特征在于，所述的滤芯的原料按质量百分比计包含：活性炭90％～99％，石墨烯0.1％～9.8％，表面活性剂0.1％～1％，添加剂0.1％～5％。
2.如权利要求1所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其特征在于，所述的活性炭包含煤质活性炭、椰壳活性炭、木质活性炭、果壳活性炭中的任意一种或多种。
3.如权利要求1所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其特征在于，所述的表面活性剂包含聚乙烯醇、聚乙二醇、木质素磺酸钠、聚乙烯吡络烷酮、十二烷基吡咯烷酮、十二烷基磺酸钠、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种。
4.如权利要求1所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯，其特征在于，所述的添加剂包含聚丙烯酰胺、FOF、阳离子聚丙烯酸酰胺、多聚磷酸盐、螯合树脂中的任意一种或多种。
5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，按比例称取各原料；
步骤2，将活性炭进行改性处理；
步骤3，将步骤2所得的改性活性炭材料置于气相沉积设备内，在氢气、氩气的混合气中升温；
步骤4，保持温度和气体流量不变，退火，随后通入乙炔气体，然后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降温，石墨烯沉积在活性炭表面及孔隙中，得到石墨烯改性活性炭复合材料；
步骤5，利用步骤4所得的石墨烯改性活性炭复合材料生产出改性石墨烯压缩活性炭净水滤芯。
6.如权利要求5所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2包含：
步骤2.1，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌之后再进行常温超声处理，得到混合溶液；
步骤2.2，将活性炭加入到步骤2.1所得的溶液中，浸泡处理，沥水后烘干，得到改性活性炭材料。
7.如权利要求6所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，将表面活性剂和添加剂加入到去离子水中，搅拌10～20min，之后再进行常温超声处理20～40min，得到的混合溶液中，按质量百分比表面活性剂含量为0.1％～5％，添加剂含量为0.1％～10％。
8.如权利要求6所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤2.2中，将活性炭加入到所得的溶液中，活性炭与溶液质量比为1:(2～4)，浸泡处理10～30min，沥水后放入到烘箱中，在120℃烘干，得到改性活性炭材料。
9.如权利要求5所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，将改性活性炭材料取出500克，置于CVD管式炉内，在氢气、氩气的混合气中升温至1000℃，气体流速为50～100ml/min，氢气与氩气体积比为1:(5～10)。
10.如权利要求5所述的气相沉积法制备的石墨烯接枝活性炭净化滤芯的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，保持温度和气体流量不变，退火20～40min，随后以5～15ml/min的流速通入乙炔气体，30～60min后关闭乙炔气源，在氢氩混合气体温度下降至室温。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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