[发明专利]碳纳米管的表面修饰方法、碳纳米管及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能化碳纳米管及其应用，具体是以对氨基苯磺酸钠修饰碳纳米管及其用于吸附水中重金属离子。

背景技术

吸附法是一类重要的水处理方法，其原理是利用吸附剂的表面效应去除水中污染物，达到净化的目的。目前常用于水处理的吸附剂包括活性炭、金属氧化物、天然矿物等。其中活性炭对有机污染物吸附效果好，但对重金属去除效果不好。而金属氧化物、天然矿物等对低浓度污染物去除效果不佳。碳纳米管由于其巨大的表面效应及良好的化学稳定性等，作为一种新型吸附材料具有潜在的应用价值（ Li Y H, Wang S G, Zhang X F, et a1. Adsorption of fluoride from water by aligned  carbon nanotubes. Material Research Bulletin, 2003, 38(38): 469-476；Wang H J, Zhou A L, Peng F, et a1. Adsorption characteristic of acidified carbon nanotubes for heavy metal Pb(II) in aqueous solution. Materials Science and Engineering A, 2007, 466(1-2): 201-206）。但由于碳纳米管在水中易于缠结、团聚，难以分散，因此其吸附效能不能充分发挥。对碳纳米管进行酸氧化处理能使其吸附性能有一定程度提高（曾 呜，巩学敏，彭先佳，等。碳纳米管溶胶对水中微量Cd²⁺与Cu²⁺吸附的研究，化学工程，2009, 37（6）: 8-11）。但由于其表面缺少功能性基团，与金属离子间相互作用较弱，因此吸附性能并不能得到有效改善，特别是对水中微量金属粒子的吸附效果差。因此，必须探讨更加有效的碳纳米管功能化方法以提高其对水中金属离子特别是微量金属离子的吸附效果。目前已经发展了一些用有机物或聚合物对碳纳米管进行化学修饰的方法。如利用混酸处理碳纳米管使其表面生成羧基等活性基团， 然后将乙二胺或对氨基苯磺酸接枝到碳纳米管表面（李娟，方征平，王建国，等. 碳纳米管在接枝二元胺过程中微结构的变化. 物理化学学报，2005，21(11)：1244-1248；杨家义, 史铁钧, 金维亚, 等. 对氨基苯磺酸两步法修饰多壁碳纳米管 [J]. 化学学报，2008,66（5）：552-556)；或者利用苯乙烯磺酸钠对多壁碳纳米管的聚合物接枝改性也得到了水溶性多壁碳纳米管（ Du F P, Wu K B, Yang Y K, et al. Synthesis and electrochemical probing of water-soluble poly (sodium 4- styrenesulfonate-co-acrylic acid) grafted multiwalled carbon nanotubes. Nanotechnology, 2008, 19(8): 85716-085725）。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提出了一种用于吸附水中金属离子的碳纳米管的表面修饰方法及其得到的碳纳米管，即用对氨基本磺酸钠接枝碳纳米管并用于吸附去除水中金属离子，该方法可得到在水中均匀分散且吸附性能优异的材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碳纳米管的修饰方法，包括有以下步骤：

1）将碳纳米管加入浓硝酸中，碳纳米管和浓硝酸的质量比为1:100~200，于80~100 ℃及搅拌的条件下加热回流12~24小时，冷却至室温后，高速离心分离，所得固体用去离子水洗至pH值7，50℃~70℃真空干燥6~12小时，得到酸化碳纳米管；      

2）将步骤1）得到的酸化碳纳米管、二氯亚砜加入有机溶剂中并超声分散10~30分钟，酸化碳纳米管与二氯亚砜、有机溶剂的质量比分别为1:200~500:50~200，然后在70℃~100℃温度下搅拌反应20~30小时，减压蒸馏除去二氯亚砜，所得固体产物用尼龙滤膜过滤、洗涤，50℃~70℃真空干燥12 ~24小时，得到酰氯化碳纳米管；

3）将酰氯化碳纳米管、对氨基苯磺酸钠加入有机溶剂中超声分散10~20分钟，酰氯化碳纳米管与对氨基苯磺酸钠及溶剂的质量比分别为1:1~2:50~150，于60℃~80℃、氮气保护下，搅拌反应18~36个小时，待反应液冷却至室温后，尼龙滤膜抽滤、洗涤，50℃~70℃真空干燥12~24小时，得对氨基苯磺酸钠修饰的多壁碳纳米管。