CN110339830A - 氧化石墨烯海绵材料及其制备和使用方法 - Google Patents

氧化石墨烯海绵材料及其制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了氧化石墨烯海绵材料，所述氧化石墨烯海绵材料以PDMS为基底，经过表面亲水改性后，负载氧化石墨烯制得。本发明还提供了该氧化石墨烯海绵材料的制备和使用方法。本发明以PDMS海绵骨架结构为基底，并有效负载氧化石墨烯，形成一种结构稳定，吸附效率高的新型重金属吸附材料，并且能够实现有效的回收，避免二次污染，具有很好的推广应用前景。

Description

氧化石墨烯海绵材料及其制备和使用方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其是氧化石墨烯海绵材料及其制备和使用方法。
背景技术
目前我国重金属污染严重，重金属因其具有易积累、难降解、毒性高、易产生二次污染等特点，严重威胁了人类的生存。重金属废水的处理常见的方法有化学沉淀法、离子交换法、膜处理技术等，而吸附法也是一种被广泛应用的物理化学方法，因其操作简单，成本低廉，去除效率高，选择性好等特点而倍受青睐。
氧化石墨烯因含丰富的含氧官能团而成为一种非常有潜力的吸附材料，然而氧化石墨烯在吸附后难于从污水中分离以及二次回收等问题使其在水处理工艺中存在一定弊端。现有技术中，氧化石墨烯在水体中呈悬浮状态，在投放至水体后很难进行分离，并且会产生二次污染。吸附材料的改性与修饰在一定程度上提高了对重金属的吸附效率，但多数吸附材料也同时面临着制备工艺复杂，成本较高，材料性能不稳定，难以实现大规模应用的问题。
发明内容
针对上述不足之处，本发明提供了氧化石墨烯海绵材料，以PDMS海绵骨架结构为基底，并有效负载氧化石墨烯，形成一种结构稳定，吸附效率高的新型重金属吸附材料，并且能够实现有效的回收，避免二次污染。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
氧化石墨烯海绵材料，所述氧化石墨烯海绵材料以PDMS为基底，经过表面亲水改性后，负载氧化石墨烯制得。
基于前述内容，本发明还提供了该氧化石墨烯海绵材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，PDMS海绵的制备
以PDMS为基底，在容器中加入(91％)Sylgard184A和(9％)Sylgard184B并不断搅拌，随后加入方糖并抽真空2h，再随后在烘箱中80℃加热3h后超声清洗，待糖全部溶解后，PDMS海绵即可成型，其中(91％)Sylgard184A、(9％)Sylgard184B和方糖的质量比为10：1：5.7；
步骤S2，PDMS海绵的亲水改性
将步骤S1制备的PDMS海绵放入等离子清洗器中清洗15分钟，随即将清洗后的PDMS海绵放入1％质量分数的聚乙烯醇中反复浸泡5次，每次浸泡20分钟后取出烘干20分钟，然后烘干后即得到亲水的PDMS海绵；
步骤S3，氧化石墨烯海绵的制备
将步骤S2制备的亲水PDMS海绵浸泡在浓度为5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液中反复浸泡3次，每次浸泡30分钟后取出烘干20分钟，干燥后即得到亲水性的氧化石墨烯海绵。
基于前述内容，本发明还提供了该氧化石墨烯海绵材料的使用方法，称取一定量的氧化石墨烯海绵于待处理废水中，搅拌振动120分钟即可。
优选的，保持氧化石墨烯海绵在待处理废水中的浓度为5.0mg/ml，pH为5.0，维持温度为25℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)PDMS是一种绿色、经济、环保型材料，由于其自身超疏水的特性，在环境污染物治理方面主要被研究者们用于对水体中油类的去除，本发明通过采用等离子清洗打断PDMS表面的化学键，通过聚乙烯醇进行修饰后改性为一种亲水材料；
(2)氧化石墨烯因含有大量的含氧官能团，因而能与水体中重金属离子发生鳌合作用，能有效的去除水体中重金属离子，但氧化石墨烯在水体中呈悬浮状态，吸附后难以与污染水体进行有效分离，本发明通过采用PDMS为基底，并有效负载氧化石墨烯，形成一种结构稳定，吸附效率高的新型重金属吸附材料；又由于PDMS海绵材料具有质量轻、密度低的特点，而浮于液体表面，每次使用后便于取出回收，避免二次污染。
附图说明
图1为纯PDMS海绵SEM图。
图2为负载氧化石墨烯后的PDMS海绵SEM图。
图3pH值对氧化石墨烯海绵吸附性能的影响图。
图4不同氧化石墨烯负载浓度对Pb2+吸附性能的影响图
图5氧化石墨烯海绵对Pb2+的吸附动力曲线图。
图6氧化石墨烯海绵对Pb2+的吸附等温线图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
氧化石墨烯海绵材料以PDMS为基底，经过表面亲水改性后，负载氧化石墨烯制得。其中，PDMS是聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)的简称，也称为二甲基硅油，是一种疏水类的有机硅物料。
具体来说，该氧化石墨烯海绵材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1，PDMS海绵的制备
以PDMS为基底，在玻璃容器中加入(91％)Sylgard184A和(9％)Sylgard184B并不断搅拌，随后加入方糖并抽真空2h，再随后在烘箱中80℃加热3h后超声清洗，待糖全部溶解后，PDMS海绵即可成型，PDMS海绵的SEM图如图1所示；其中，(91％)Sylgard184A、(9％)Sylgard184B和方糖的质量比为10：1：5.7，(91％)Sylgard184A和(9％)Sylgard184B的浓度均为质量浓度，(91％)Sylgard184A和(9％)Sylgard184B均在Dow Corning公司(USA)直接购买，方糖选用市售的规格为18×17×9mm的方糖；
步骤S2，PDMS海绵的亲水改性
将步骤S1制备的PDMS海绵放入等离子清洗器中清洗15分钟，随即将清洗后的PDMS海绵放入1％质量分数的聚乙烯醇中反复浸泡5次，每次浸泡20分钟后取出烘干20分钟，即在1％质量分数的聚乙烯醇中浸泡20分钟后取出烘干20分钟再放入该1％质量分数的聚乙烯醇中浸泡，如此反复5次，然后烘干后即得到亲水的PDMS海绵；
步骤S3，氧化石墨烯海绵的制备
将步骤S2制备的亲水PDMS海绵浸泡在浓度为5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液中反复浸泡3次，每次浸泡30分钟后取出烘干20分钟，即在浓度为5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液中浸泡30分钟后取出烘干20分钟再放入该浓度为5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液中浸泡，如此反复3次，干燥后即得到亲水性的氧化石墨烯海绵负载氧化石墨烯后的PDMS海绵的SEM图如图2所示。
该氧化石墨烯海绵材料的使用方法为：称取一定量的氧化石墨烯海绵于待处理废水中，搅拌振动120分钟即可。其中，为保持材料具有最佳的吸附性能，需要保持氧化石墨烯海绵在待处理废水中的浓度为5.0mg/ml，pH为5.0，维持温度为25℃。
为验证氧化石墨烯海绵材料的吸附性能及最优吸附条件，进行如下实验：
(1)pH值对氧化石墨烯海绵吸附性能的影响
实验过程：称取0.1g的氧化石墨烯海绵(其中氧化石墨烯的质量分数约为5％)置于10mL初始浓度为50ppm的Pb2+溶液中(pH调节为2.5、3.0、4.0、5.0、6.0)，在转速为150rpm、温度为30℃的震荡箱中反应120min后用原子吸收分光光度计测其吸光度，测量结果见图3。
(2)不同氧化石墨烯海绵浓度对Pb2+吸附性能的影响
实验过程：在使用过程中，称取0.1g的氧化石墨烯海绵，其中氧化石墨烯的负载浓度分别为1mg/L、2mg/L、3mg/L、4mg/L、5mg/L，置于10mL初始浓度为50ppm的Pb2+溶液中(pH调节为5.0)，在转速为150rpm、温度为30℃的震荡箱中反应一定时间后用原子吸收分光光度计测其吸光度，测量结果见图4。
(3)氧化石墨烯海绵对Pb2+的吸附动力曲线
实验过程：在使用过程中，称取0.1g的氧化石墨烯海绵(其中氧化石墨烯的质量分数约为5％)置于10mL初始浓度为10ppm、20ppm的Pb2+溶液中(pH调节为5.0)，在转速为150rpm、温度为30℃的震荡箱中反应0～120min后用原子吸收分光光度计测其吸光度，测量结果见图5。
(4)氧化石墨烯海绵对Pb2+的吸附等温线(温度为303K)
实验过程：在使用过程中，称取0.1g的氧化石墨烯海绵(其中氧化石墨烯的质量分数约为5％)置于10mL初始浓度为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm的Pb2+溶液中(pH调节为5.0)，在转速为150rpm、温度为30℃的震荡箱中反应120min后用原子吸收分光光度计测其吸光度，测量结果见图6。
图3至图6中的纵坐标表示最大吸附量，即单位吸附剂吸附Pb2+的最大值。
本发明提供了氧化石墨烯海绵材料，以PDMS海绵骨架结构为基底，并有效负载氧化石墨烯，形成一种结构稳定，吸附效率高的新型重金属吸附材料，并且能够实现有效的回收，避免二次污染，具有很好的推广应用前景。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.氧化石墨烯海绵材料，其特征在于，所述氧化石墨烯海绵材料以PDMS为基底，经过表面亲水改性后，负载氧化石墨烯制得。
2.权利要求1所述的氧化石墨烯海绵材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，PDMS海绵的制备
以PDMS为基底，在容器中加入(91％)Sylgard184A和(9％)Sylgard184B并不断搅拌，然后加入方糖并抽真空2h，随后在烘箱中80℃加热3h后超声清洗，待糖全部溶解后，PDMS海绵即可成型，其中(91％)Sylgard184A、(9％)Sylgard184B和方糖的质量比为10：1：5.7；
步骤S2，PDMS海绵的亲水改性
将步骤S1制备的PDMS海绵放入等离子清洗器中清洗15分钟，随即将清洗后的PDMS海绵放入1％质量分数的聚乙烯醇中反复浸泡5次，每次浸泡20分钟后取出烘干20分钟，然后烘干后即得到亲水的PDMS海绵；
步骤S3，氧化石墨烯海绵的制备
将步骤S2制备的亲水PDMS海绵浸泡在浓度为5mg/mL的氧化石墨烯悬浮液中反复浸泡3次，每次浸泡30分钟后取出烘干20分钟，干燥后即得到亲水性的氧化石墨烯海绵。
3.权利要求1所述的氧化石墨烯海绵材料的使用方法，其特征在于，称取一定量的氧化石墨烯海绵于待处理废水中，搅拌振动120分钟即可。
4.根据权利要求3所述的氧化石墨烯海绵材料的使用方法，其特征在于，保持氧化石墨烯海绵在待处理废水中的浓度为5.0mg/ml，pH为5.0，维持温度为25℃。
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