CN114751490A - 一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纳米氧化铝‑氧化石墨烯复合絮凝材料及制备方法，将改进Hummers法所制备的氧化石墨烯和纳米氧化铝分别在去离子水中超声分散40min后混合，加入表面活性剂再混合，70℃下恒温水浴加热搅拌，即得纳米氧化铝‑氧化石墨烯复合絮凝材料。该絮凝材料用于电凝聚法同步高效去除水环境中的微塑料和重金属机理研究，结合水环境中微塑料体积小、比表面积大、吸附能力强等特点和其与水环境中重金属污染物的作用机制，从而大幅提高水环境中微塑料和重金属同步高效去除效率。

Description

一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制备领域，涉及一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料及其制备方法。
背景技术
随着社会的变革，纺织、塑料、采矿、电镀、冶金等现代工业的快速发展给环境带来了严重的重金属污染。现如今，重金属污染造成的一系列严重环境问题已经引起了全世界的关注。重金属污染水体的修复方法有很多，包括物理、化学和生物方法在内等多种方法。然而，这些技术中的大多数在实际过程中可能会产生有害副产品或存在处理成本高等问题。
微塑料是最近研究较多的新兴污染物，具有尺寸较小、肉眼不易察觉等特点，容易通过水环境进入生物链进而进入生物体或人体内。微塑料进入水环境的方式及其多样，瓶装水、农业用地膜或化妆品等均是微塑料的载体。如何实现微塑料的有效去除已经成为环境领域关注的焦点之一，也是维持水生态文明的重要保障。
目前，对于微塑料的研究大多数还处在微塑料的污染现状、污染特征、分布特征、对生物的影响等方面，关于微塑料去除净化的研究还比较少；现有的一些普通方法有的效率太低，还有的限制因素太多；现有的一些先进废水三级处理技术，如动态膜、溶气浮选法等虽然能高效去除微塑料，有的去除率可达95%以上，但是这些方法大都比较昂贵；因此这些方法都不适合大规模推广使用。
纳米氧化铝材料具有疏松多孔的结构对水环境中重金属元素具有较强的吸附特性，氧化石墨烯作为一种优良的絮凝剂可以增强电凝聚法对水环境处理的效果。
因此，分析微塑料对重金属的吸附过程和机制，从而揭示水体中这两类污染物的扩散和相互作用机制。并根据微塑料对重金属的吸附机制，提出微塑料和重金属的同步去除方法，以实现水体中吸附重金属后的微塑料去除和转移过程，再利用辅助材料增强去除效率，从而有效实现两种污染物的同步治理意义斐然。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料（NA-GO复合絮凝材料），该絮凝材料用于电凝聚法同步高效去除水环境中的微塑料和重金属机理研究，结合水环境中微塑料体积小、比表面积大、吸附能力强等特点和其与水环境中重金属污染物的作用机制，从而大幅提高水环境中微塑料和重金属同步高效去除效率。
本发明还提供该复合絮凝材料的制备方法，该絮凝材料的制备操作简单环保、过程可控、成本低，该制备方法得到的絮凝材料对去除水环境中的微塑料和重金属污染物具有很好的辅助效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，具体为：
将改进Hummers法所制备的氧化石墨烯和纳米氧化铝分别在去离子水中超声分散40min后混合，加入表面活性剂再混合，70℃下恒温水浴加热搅拌，即得纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料。
进一步，所述氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1:1～1:10。
进一步，所述表面活性剂为：十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、季铵化物、烷基葡糖苷（APG），脂肪酸甘油酯、曲拉通。
进一步，所述纳米氧化铝是采用溶胶-凝胶法特制材料，具体制备方法为：将氨水滴入一定浓度的硝酸铝溶液中，同时不断搅拌，防止氢氧化铝产品凝固，当溶液pH上升至9时停止加入氨水，在60℃下恒温水浴加热2h；然后经80℃干燥48h得到干凝胶，将干凝胶在500℃下煅烧2h，磨成粉末后过100目筛，干燥后获得纳米氧化铝。所制得的纳米氧化铝材料对溶液中二价铜离子、二价锌离子、三价铬离子等重金属具有吸附性。
进一步，所述硝酸铝溶液的浓度为0.1mol/L。
进一步，所述氨水的浓度为25wt%，AR级。
进一步，所述氨水滴加速度为30d/min。
上述制备方法所制备的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料用于电凝聚法对水环境中微塑料和重金属污染物同步高效去除机制的研究。
上述制备方法所制备的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料能够大幅度提高电凝聚法对水环境中的微塑料和重金属污染物的去除效率，且去除效率高达90%左右。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明纳米氧化铝的溶胶-凝胶法制备成本低，进而降低该复合絮凝材料的制备成本。
2、本发明复合絮凝材料制备过程简单，易操作，对环境污染小。
3、本发明利用纳米氧化铝的吸附特性和氧化石墨烯的絮凝效果使其复合，显著增强了该絮凝材料对水环境中微塑料和重金属污染物的同步去除效果。
附图说明
图1为实验例所用系统的结构示意图；
图中：1、电源，2、阳极，3、阴极，4、电解液，5、电解池。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法为：
（1）纳米氧化铝的制备：
将25wt%，AR级的氨水滴入0.1mol/L的硝酸铝溶液中，氨水滴加速度为30d/min，同时不断搅拌，防止氢氧化铝产品凝固，当溶液pH上升至9时停止加入氨水，在60℃下恒温水浴加热2h；然后经80℃干燥48h得到干凝胶，将干凝胶在500℃下煅烧2h，磨成粉末后过100目筛，干燥后获得纳米氧化铝。所制得的纳米氧化铝材料对溶液中二价铜离子、二价锌离子、三价铬离子等重金属具有吸附性。
（2）纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备
将5g改进Hummers法所制备的氧化石墨烯和10g纳米氧化铝分别在去离子水中超声分散40min后混合，加入0.0125g SDBS再混合，70℃下恒温水浴加热搅拌，即得纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料。
实验例
将实施例1制备的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料用于对水体系中重金属和微塑料污染物去除。
该实验例所用的电絮凝体系如图1所示。阳极为铝，阴极为钢。反应器（电解池）的材料为有机玻璃，内径尺寸为270×110×90(单位为mm),容器容量为2.7L。该体系的原理为：利用微塑料的吸附性质（体积小、比表面积大、吸附能力强等特点），微塑料吸附重金属形成塑料载体载电体系，由于重金属离子带有正电荷，所以塑料载体载电体系相当于载有正电荷，在电场的作用下塑料载体载电体系定向迁移到阴极，实现了微塑料和重金属离子两者同向迁移的聚集过程，迁移到阴极后，重金属在阴极被还原；具体可见：
M(s)→Mn+ （水溶液）+ne-（阳极发生的反应）；
2H2O(l)→4H++O2(g)+4e-；
Mn+ （水溶液）+ne-→M(s)（阴极发生的反应）；
2H2O(l)→H2(g)+2OH-；
Mn+ (水溶液)+nOH-→M(OH)n(s)；其中，M为Al，n=3。
由上述反应可见，电源通电后阳极电离，在电解液中形成多羟基配合物，多羟基配合物可以作为絮凝剂吸附微塑料实现水体净化。但是本发明所制备的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料能够帮助絮凝，进一步提高微塑料和重金属污染物同步去除效率。
（一）不添加纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料
在不加入纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的情况下，观察微珠去除效率随时间的变化。
（1）初始pH值的影响，所有其他反应器条件：电流密度，15mA/cm2；初始微塑料浓度（300-355μm）浓度，0.1g/L；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。在不同的pH值，对于所有研究的pH值（pH值= 3,5,7.5和10）去除效率随着时间的推移而增加，并且在EC操作40分钟后达到平台。 实现的去除效率为60%左右。
（2）电导率的影响。所有其他反应器条件：电流密度，15 mA/cm2；初始pH = 7.5；初始微塑料（300-355μm）浓度0.1克/升；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。对应于7.44和13.75mS/cm的测量废水电导率。NaCl浓度在任何时候都没有显着影响去除效率。 微塑料去除效率随着时间的推移而增加，并在40后达到稳定，去除效率为60%左右。
（3）电流密度的影响。所有其他反应器条件：初始pH=7.5；初始微塑料（300-355μm）浓度0.1克/升；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。电絮凝法的微塑料和重金属载电体系去除效率不会受到电流密度变化的显着影响，去除效率为60%左右。
（二）添加纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料
在加入纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的情况下，观察微珠去除效率随时间的变化。
（1）初始pH值的影响。所有其他反应器条件：电流密度，15mA/cm2；初始微塑料浓度（300-355μm）浓度，0.1g/L；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。在不同的pH值，对于所有研究的pH值（pH值= 3,5,7.5和10）去除效率随着时间的推移而增加，并且在电凝聚（EC）操作40分钟后达到平台。 实现的去除效率为90%左右。
（2）电导率的影响。所有其他反应器条件：电流密度，15 mA/cm2；初始pH = 7.5；初始微塑料（300-355μm）浓度0.1克/升；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。对应于7.44和13.75mS/cm的测量废水电导率。NaCl浓度在任何时候都没有显着影响去除效率。 微塑料去除效率随着时间的推移而增加，并在40分钟后达到稳定，去除效率为90%左右。
（3）电流密度的影响。所有其他反应器条件：初始pH = 7.5；初始微塑料（300-355μm）浓度0.1克/升；电极间距，1厘米；搅拌速度，60转/分钟。电絮凝法的微塑料和重金属载电体系去除效率不会受到电流密度变化的显着影响，去除效率为90%左右。
上述（二）中各实施例中均分别添加了三份等量的实验室自制纳米氧化铝-氧化石墨烯复合材料。
上述各实施例仅用于说明有无纳米氧化铝-改良石墨烯复合材料（NA-GO）在不同参考条件下对于水环境中微塑料和重金属同步去除的效率，各参考条件都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡使用电凝聚法同步去除水环境中微塑料和重金属污染物，即使使用不同的电极材料、在不同参变条件下，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：
将改进Hummers法所制备的氧化石墨烯和纳米氧化铝分别在去离子水中超声分散40min后混合，加入表面活性剂再混合，70℃下恒温水浴加热搅拌，即得纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料。
2.根据权利要求1所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯和纳米氧化铝的质量比为1:1～1:10。
3.根据权利要求1所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为：十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、季铵化物、烷基葡糖苷，脂肪酸甘油酯、曲拉通。
4.根据权利要求1所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铝是采用溶胶-凝胶法特制材料，具体制备方法为：将氨水滴入一定浓度的硝酸铝溶液中，同时不断搅拌，防止氢氧化铝产品凝固，当溶液pH上升至9时停止加入氨水，在60℃下恒温水浴加热2h；然后经80℃干燥48h得到干凝胶，将干凝胶在500℃下煅烧2h，磨成粉末后过100目筛，干燥后获得纳米氧化铝。
5.根据权利要求4所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸铝溶液的浓度为0.1mol/L。
6.根据权利要求4所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述氨水的浓度为25wt%，AR级。
7.根据权利要求4所述的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料的制备方法，其特征在于，所述氨水滴加速度为30d/min。
8.权利要求1至7任一项所述的制备方法所制备的纳米氧化铝-氧化石墨烯复合絮凝材料用于电凝聚法对水环境中微塑料和重金属污染物同步高效去除机制的研究应用。
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