[發明專利]功能化石墨烯吸附劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201210462851.9
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102974307A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 袁興中;王侯;吳艷;祝慧娜;黃華軍
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;C02F9/02;C02F1/28;C02F1/44;C02F101/22
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術領域

本發明屬于納米材料及環境科學技術領域，尤其涉及一種重金屬吸附劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著我國經濟的發展和科技的進步，大量的工業廢水、生活污水以及各種采礦廢水不斷向自然環境中釋放，導致我國面臨著日趨嚴重的水污染問題。由于重金屬鉻污染的高毒性、分布廣、易于生物體內富集及危害持續時間長的特點，對水體生物及人體健康造成了嚴重的影響。因此，如何去除水體中的鉻污染已成為環境保護研究者關注的問題。

目前己開發應用的廢水中重金屬的處理方法主要有物理法、化學法、物理化學法和生物法，其中90%以上使用化學方法，主要的化學方法又包括：化學沉淀法、膜分離法、離子交換法、電解法、電滲析法、活性炭吸附法等。在這些方法中，吸附法是一種設備投資少，操作簡單、高效且易于廣泛應用的去除廢水中重金屬的方法，而改善吸附法的關鍵在于開發更加高效、環保、價廉的新型吸附材料。

當前，大量的吸附材料被報道用來去除水體中的重金屬，例如活性炭、粉煤灰、生物質吸附劑等。由于具有極大的比表面積，納米材料被視為一種更高效率的吸附材料，有利于去除廢水中的重金屬。例如，碳納米管被證實是一種非常有效的重金屬新型吸附劑，其效率比普通的活性炭吸附劑高出5～7倍。然而，成本高、易產生二次污染且不易去除等缺點限制了碳納米管的使用。針對這一問題，開發出更加高效、經濟和無毒的納米吸附劑成為目前關注的焦點。

自從石墨烯被首次研制出來后，由于其優異的物理化學性質，如極大的比表面積、優異的機械強度、高電導率與熱導率等，在化學電源、光電子器件和多相催化等領域已獲得了廣泛的關注。然而，石墨烯材料在環境中的應用較少。已有研究表明石墨烯可以去除重金屬等污染物，但是石墨烯的團聚作用，不僅減少了石墨烯的比表面積，還不利于分散在溶液中，這限制了其在廢水中對污染物的去除應用。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種簡單、高效、綠色、經濟、環保的功能化石墨烯吸附劑，還提供一種工藝簡單、條件易控、適于規模化生產、產品性能優異的功能化石墨烯吸附劑的制備方法，還提供一種成本低、易操作、且綠色環保的功能化石墨烯吸附劑在去除廢水中鉻的應用。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種功能化石墨烯吸附劑，所述功能化石墨烯吸附劑主要由石墨烯和陽離子表面活性劑組成，所述陽離子表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、四丁基氫氧化銨或烷基苯磺酸鈉，所述十六烷基三甲基溴化銨通過非共價鍵作用插入和/或鑲嵌在層狀石墨烯的邊緣或表層，所述十六烷基三甲基溴化銨在功能化石墨烯吸附劑中的質量分數為40%～50%。

作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的功能化石墨烯吸附劑的制備方法，包括以下步驟：

（1）將氧化石墨烯分散在水中，通過超聲分散后制得氧化石墨烯懸浮液；

（2）向步驟（1）制得的氧化石墨烯懸浮液中添加十六烷基三甲基溴化銨溶液，并控制其中的氧化石墨烯與十六烷基三甲基溴化銨的質量比為1∶（7～10），充分攪拌使其反應完全；

（3）將步驟（2）后的反應體系加熱（優選為水浴加熱）至70℃～90℃，再向反應體系中加入還原劑使其充分反應（反應時間優選為2.0h～3.0h），生成黑色絮狀沉淀；所述還原劑為硼氫化鈉和/或硼氫化鉀；

（4）將步驟（3）后得到的黑色絮狀沉淀進行抽濾、洗滌和干燥，得到功能化石墨烯吸附劑。

上述的制備方法中，所述氧化石墨烯優選是采用Hummers方法合成。

上述的制備方法，所述步驟（1）中，超聲分散的時間優選為45min～120min，所述氧化石墨烯懸浮液的濃度優選為2mg/mL～4mg/mL。

上述的制備方法，所述步驟（2）中，反應的條件優選為常溫下反應1.5h～3h。

上述的制備方法，所述步驟（3）中，還原劑的用量優選為所述氧化石墨烯質量的10～12倍。

作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述的功能化石墨烯吸附劑在去除廢水中鉻的應用，包括以下步驟：

將所述的功能化石墨烯吸附劑添加至含鉻廢水中，每升廢水的添加量為0.3g～0.5g；在吸附過程中，控制廢水的溫度為20℃～60℃，充分吸附并振蕩反應完全后（一般至少反應20min），利用濾膜對吸附后的余液進行過濾，完成對廢水中鉻的去除。

上述的應用中，所述含鉻廢水中鉻的濃度優選為20ppm～140ppm。