[發明專利]一種石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料

在審

• 申請號: 201711004590.5
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107551829A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 徐藝軍;解修強
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D69/12;B01D69/02;B01D67/00;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F1/44;C02F101/20;C02F101/22
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學俊,林文弘

技術領域

本發明屬于復合膜材料制備及水處理領域，具體涉及一種石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料。

背景技術

人類正在面臨全球性的可飲用水短缺危機，重金屬離子污染加劇了這一問題，直接威脅人類的健康。應用吸附技術去除水體中的重金屬離子污染，對實現水體凈化具有重要意義。二維材料具有較大的比表面積，能夠有效吸附水體中的重金屬離子，是一類極具應用前景的吸附材料。然而大多數二維吸附材料通常通過靜電吸引作用去除水體中的重金屬離子，很難同時去除水體中陽離子型（Ag⁺）和陰離子型重金屬離子（HCrO₄^-，AuCl₄^-，PdCl₄^2-）。此外，多數二維吸附材料以粉末形式存在，需要通過絮凝、過濾、離心等方式從水體中分離，在一定程度上增加了時間和經濟成本。從操作和成本的角度考慮，將二維材料制成膜材料，實現二維材料的固定具有更為顯著的優勢，為利用二維材料去除水體中的重金屬離子提供了一條有效的方法和途徑。然而，在成膜過程中，二維材料易發生堆疊現象，形成致密微觀結構，阻止二維材料與重金屬離子之間的充分接觸。基于二維材料的膜材料通常被應用于過濾膜材料，即利用壓力差使水通過過濾膜的同時選擇性地過濾重金屬離子。在無壓力差情況下，直接應用二維材料基膜材料去除水體中的重金屬離子依舊是一個巨大挑戰。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單的石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料的制備方法及其在無壓力差條件下高效去除水體中重金屬離子中的應用。所制備的石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料具有比石墨烯膜、碳化鈦膜以及沒有經過鹽酸處理的復合膜更高的去除水體中重金屬離子的性能，并且易于分離回收。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料為聚偏二氟乙烯膜支撐的基于二維石墨烯及碳化鈦的復合膜材料；所述的石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料中碳化鈦的質量分數為（80%~95%），石墨烯的質量分數為（5%~20%），二者的質量分數之和為100%。

制備如上所述的石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料的方法包括以下步驟：

（1）碳化鈦納米片溶液的制備：采用Ti₃AlC₂為原材料，制備碳化鈦納米片膠體；具體地，將Ti₃AlC₂加入溶有LiF的鹽酸溶液（濃度為9 mol/L）中，溶液溫度保持在35℃，反應24小時后用去離子水離心洗滌，洗滌后將所得物重新分散于去離子水中，水浴超聲1小時后離心1小時，取離心過后的上層液體得到碳化鈦納米片膠體溶液；

（2）氧化石墨烯的還原：通過（枝狀）聚乙烯亞胺還原氧化石墨烯的方法制備石墨烯納米片；具體地，將（枝狀）聚乙烯亞胺溶液滴加到氧化石墨烯水溶液中，90℃回流2小時后離心洗滌，將所得的石墨烯重新分散至去離子水，得到石墨烯分散液；

（3）真空抽濾：將步驟（2）制得的石墨烯分散液滴加到步驟（1）制得的碳化鈦納米片膠體溶液中，室溫攪拌1小時后，真空抽濾；所用濾膜為聚偏二氟乙烯膜；

（4）鹽酸浸泡：將步驟（3）制得的復合膜材料（附著在聚偏二氟乙烯膜濾膜上）浸泡在1 mol/L的鹽酸溶液中24小時后，用去離子水洗去多余鹽酸，干燥得到石墨烯/碳化鈦復合膜材料。

步驟（1）中，按摩爾比計，Ti₃AlC₂:LiF:HCl=1:7.5:17.6。

步驟（2）中所述的（枝狀）聚乙烯亞胺與氧化石墨烯的質量比為10:1。

所述的石墨烯/碳化鈦水體凈化復合膜材料用于水相中用于去除水體中的重金屬離子。

所述的重金屬離子包括鉻離子、金離子、銀離子和鈀離子中的任一種，其存在形式為HCrO₄^-，AuCl₄^-，Ag⁺，PdCl₄^2-。

去除水體中的六價鉻離子的具體步驟如下：

取30 mL濃度為20 ppm的Cr(VI)溶液于反應器中，加入12 mg石墨烯/碳化鈦復合膜材料，每隔一定時間后取適量液體，進行紫外-可見吸收光譜分析。

去除水體中的金離子的具體步驟如下：