[发明专利]功能化石墨烯吸附剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料及环境科学技术领域，尤其涉及一种重金属吸附剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着我国经济的发展和科技的进步，大量的工业废水、生活污水以及各种采矿废水不断向自然环境中释放，导致我国面临着日趋严重的水污染问题。由于重金属铬污染的高毒性、分布广、易于生物体内富集及危害持续时间长的特点，对水体生物及人体健康造成了严重的影响。因此，如何去除水体中的铬污染已成为环境保护研究者关注的问题。

目前己开发应用的废水中重金属的处理方法主要有物理法、化学法、物理化学法和生物法，其中90%以上使用化学方法，主要的化学方法又包括：化学沉淀法、膜分离法、离子交换法、电解法、电渗析法、活性炭吸附法等。在这些方法中，吸附法是一种设备投资少，操作简单、高效且易于广泛应用的去除废水中重金属的方法，而改善吸附法的关键在于开发更加高效、环保、价廉的新型吸附材料。

当前，大量的吸附材料被报道用来去除水体中的重金属，例如活性炭、粉煤灰、生物质吸附剂等。由于具有极大的比表面积，纳米材料被视为一种更高效率的吸附材料，有利于去除废水中的重金属。例如，碳纳米管被证实是一种非常有效的重金属新型吸附剂，其效率比普通的活性炭吸附剂高出5～7倍。然而，成本高、易产生二次污染且不易去除等缺点限制了碳纳米管的使用。针对这一问题，开发出更加高效、经济和无毒的纳米吸附剂成为目前关注的焦点。

自从石墨烯被首次研制出来后，由于其优异的物理化学性质，如极大的比表面积、优异的机械强度、高电导率与热导率等，在化学电源、光电子器件和多相催化等领域已获得了广泛的关注。然而，石墨烯材料在环境中的应用较少。已有研究表明石墨烯可以去除重金属等污染物，但是石墨烯的团聚作用，不仅减少了石墨烯的比表面积，还不利于分散在溶液中，这限制了其在废水中对污染物的去除应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单、高效、绿色、经济、环保的功能化石墨烯吸附剂，还提供一种工艺简单、条件易控、适于规模化生产、产品性能优异的功能化石墨烯吸附剂的制备方法，还提供一种成本低、易操作、且绿色环保的功能化石墨烯吸附剂在去除废水中铬的应用。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种功能化石墨烯吸附剂，所述功能化石墨烯吸附剂主要由石墨烯和阳离子表面活性剂组成，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、四丁基氢氧化铵或烷基苯磺酸钠，所述十六烷基三甲基溴化铵通过非共价键作用插入和/或镶嵌在层状石墨烯的边缘或表层，所述十六烷基三甲基溴化铵在功能化石墨烯吸附剂中的质量分数为40%～50%。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的功能化石墨烯吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将氧化石墨烯分散在水中，通过超声分散后制得氧化石墨烯悬浮液；

（2）向步骤（1）制得的氧化石墨烯悬浮液中添加十六烷基三甲基溴化铵溶液，并控制其中的氧化石墨烯与十六烷基三甲基溴化铵的质量比为1∶（7～10），充分搅拌使其反应完全；

（3）将步骤（2）后的反应体系加热（优选为水浴加热）至70℃～90℃，再向反应体系中加入还原剂使其充分反应（反应时间优选为2.0h～3.0h），生成黑色絮状沉淀；所述还原剂为硼氢化钠和/或硼氢化钾；

（4）将步骤（3）后得到的黑色絮状沉淀进行抽滤、洗涤和干燥，得到功能化石墨烯吸附剂。

上述的制备方法中，所述氧化石墨烯优选是采用Hummers方法合成。

上述的制备方法，所述步骤（1）中，超声分散的时间优选为45min～120min，所述氧化石墨烯悬浮液的浓度优选为2mg/mL～4mg/mL。

上述的制备方法，所述步骤（2）中，反应的条件优选为常温下反应1.5h～3h。

上述的制备方法，所述步骤（3）中，还原剂的用量优选为所述氧化石墨烯质量的10～12倍。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的功能化石墨烯吸附剂在去除废水中铬的应用，包括以下步骤：

将所述的功能化石墨烯吸附剂添加至含铬废水中，每升废水的添加量为0.3g～0.5g；在吸附过程中，控制废水的温度为20℃～60℃，充分吸附并振荡反应完全后（一般至少反应20min），利用滤膜对吸附后的余液进行过滤，完成对废水中铬的去除。

上述的应用中，所述含铬废水中铬的浓度优选为20ppm～140ppm。