[發明專利]一種氧化石墨烯/羥基磷灰石納米線多功能吸附氣凝膠及其制備方法

有效

• 申請號: 201910909091.3
• 申請日: 2019-09-25
• 公開（公告）號: CN110496609B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 張廣法;閆業海;李玉珍;崔健;高愛林;趙帥
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B01J20/28
• 分類號: B01J20/28;B01J20/20;B01J20/30;C02F1/28;C02F101/14;C02F101/30;C02F101/32
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙) 37104
• 代理人: 付麗麗

本發明涉及一種氧化石墨烯/羥基磷灰石納米線多功能吸附氣凝膠，能實現各種油類/有機溶劑和水中氟離子的高效吸附。其制備包括以下步驟：(1)將GO水分散液、HAP納米線水分散液及化學還原劑混合，并攪拌、超聲使其分散均勻；(2)將共混分散液進行輕度化學還原?冷凍融化?深度還原過程自組裝得rGO/HAP水凝膠；(3)將上述水凝膠進行冷凍?干燥得rGO/HAP氣凝膠；(4)對上述氣凝膠進行高溫碳化處理或者表面親水改性以實現不同有機溶劑或氟離子的高效吸附。其方法簡單、快捷，反應條件溫和，具有優良的物理化學性能和力學性能，吸附容量高，能高效處理高氟離子廢水和含不溶性油或有機溶劑廢水，并可多次重復使用，有良好的實際應用前景。

技術領域

本發明涉及吸附材料領域，特別涉及一種氧化石墨烯/羥基磷灰石納米線多功能吸附氣凝膠。

背景技術

近年來，隨著經濟的快速發展和人口數量激增，水污染問題變得日益嚴峻，對水生生物及人體的健康造成嚴重危害，已成為影響人類生存和可持續發展的較大威脅。此外，水體污染物的種類也越來越廣泛，成分越來越復雜，除了最常見的油類(如原油等)或有機溶劑污染物之外，大量難降解的污染物(如氟離子、重金屬、農藥、染料等)排放至水體當中，對地表及地下水造成了嚴重的持久性的污染。如何科學高效地去除水體中的眾多污染物己經成為國內外學術和工程界研究的熱點之一。

去除水中污染物的方法主要有吸附、過濾、生物降解及光降解等，其中吸附法具有高效、環保、成本低等優點而成為治理水污染的首選方法。傳統的吸附材料如活性炭、粘土、等吸附效率和能力較低且易造成二次污染，所以急需一種具有高吸附能力、高選擇性、優異循環使用性的新型吸附材料。目前報道較多的三維(3D)多孔材料如聚合物基泡沫、海綿等雖然可以實現油類等有機溶劑的吸附，但是卻存在功能單一、吸附能力和選擇性低等缺點。Ge等人(Ge,J.,et al.,.ACS Appl Mater Interfaces,2018.10(46):p.40274-40285.)采用三聚氰胺海綿用于油水混合物中有機溶劑的吸附量僅為自身重量的46～96倍。相比之下，石墨烯基氣凝膠作為一種新興的3D多孔材料，具有優異疏水/親油性、低密度、高比表面積、良好的化學穩定和熱穩定性等獨特性能，在先進吸附領域具有廣闊的應用前景。Bi等人((Bi,H.,et al.,.Advanced Functional Materials,2012.22:p.4421-4425.)采用氧化石墨烯為原料，利用水熱還原法得石墨烯水凝膠，然后對其進行冷凍干燥得石墨烯基海綿可以實現對甲苯、氯仿等多種有機溶劑的吸附，但是吸附率較低僅為自身重量20～86倍，另外通過燃燒處理法實現材料的循環利用存在耗能大且易造成二次污染的問題。這主要是因為純石墨烯氣凝膠力學性能較差，限制了石墨烯基凝膠材料吸附物的回收方式。值得注意的是，加入一維納米材料(如碳納米管、納米纖維等)、聚合物(聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等)或者化學交聯劑(戊二醛等)等可以有效提高石墨烯基氣凝膠的機械強度和壓縮回彈性，進而通過簡單的物理擠壓方式實現凝膠材料的有效脫附和循環吸附性能。例如，Zhan等人(Zhan,W.,et al.,.ACS Applied MaterialsInterfaces,2017.10(1):p.1093-1103.)將一維PDA功能化的多壁碳納米管(MWCNT-PDA)引入石墨烯氣凝膠網絡中，合成了一種強健的石墨烯/碳納米管復合氣凝膠，并通過簡單的“吸附-擠壓”的方式可循環使用10次。Xiao等人(Xiao,J.,et al.,.Carbon,2017.123:p.354-363.)利用水熱原位還原法合成了一種還原氧化石墨烯/聚乙烯醇氣凝膠，經過疏水改性后的氣凝膠可以吸附水面上的普通油脂和有機溶劑，吸附率可以達到自身重量的67～155倍。盡管如此，上述這些石墨烯基氣凝膠在制備及吸附應用方面仍存在如下一些問題：(1)一維碳納米管制備過程復雜且成本高；(2)水熱法需要高溫高壓的條件和特殊的反應裝置，增加了實際應用的難度；(3)功能性單一，一般石墨烯氣凝膠僅可實現部分有機溶劑或油類的吸附，難以實現復雜水體污染物的處理(如氟離子等)。