[发明专利]石墨烯修饰的生物炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料和环境领域，具体涉及到一种石墨烯修饰的生物炭复合材料及其制备方法，还涉及石墨烯修饰的生物炭复合材料处理水体中Pb²⁺的应用。

背景技术

近年来，随着经济的高速发展，工农业领域化学试剂的大量使用，使我国大部分地表水和地下水受到了不同程度的污染，其污染物包括重金属和有机物等。如果受污染的水体不加处理或处理不当，就会对公共健康和生态环境造成严重的危害。比如：重金属Pb²⁺，不仅能够广泛存在于土壤中和地表水的水体中，还能够在地下水中循环。可以引起肾脏，中枢神经，生殖系统，肝脏和生殖系统的严重损害。

目前处理污染水体的方法主要有过滤，生物吸附，化学沉淀法，电沉积，膜系统，离子交换等。与其他方法相比，吸附法因其操作方便、吸附剂的种类多样、运行成本低、效率高、设计灵活、容易再生、处理的废水适于回收利用等优势而成为一个应用广泛且高效的处理方法。目前，能吸附重金属和有机物的复合材料已引起了广泛的研究兴趣。近几年来，在用吸附法治理环境领域中新兴起的技术包括用生物炭和生物炭复合材料水体中的污染物。在此，生物炭是一种可以广泛应用的工程碳，它可以由各种各样的生物质材料在无氧的条件下热解得到。像活性炭一样，生物炭可以广泛应用于废水的处理主要是因为它具有较大的比表面积和比较密集稳定的孔径结构。用现有生物炭技术和新兴的生物，纳米技术相结合来创造环境友好型，经济适用型的新型复合材料，近年来备受关注。以前的研究中已经有厌氧颗粒污泥，纳米零价铁，磁性氧化铁，碳纳米管，AlOOH，粘土，镁，氧化镁纳米片，MnO_x和生物炭的复合物，这些复合材料都具有良好的物理性能，并且可以高效去除水体中各种污染物。

石墨烯的物理化学结构与富勒烯非常相似，但石墨烯具有价格低和普遍适用性的特点，并且可以作为“涂层剂和包装剂”来合成新型杂种纳米复合材料，其合成的复合材料能高效去除有机或无机污染物。因此，石墨烯能够广泛用于环境治理。以前的研究中已经成功合成石墨烯包裹二氧化钛，石墨烯修饰碳纳米管复合材料，磁性石墨烯复合材料等用于芳香族化合物和重金属的去除。Zhang通过1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐合成了石墨烯-生物炭复合材料，并且能够高效的从废水中去除亚甲基蓝，但是其合成的复合材料的尺寸比较大，并不能形成纳米级的合成材料，同时没有系统的研究对亚甲基蓝去除的影响，特别是没有研究用这种复合材料去除污染水体中重金属的过程。

虽然生物炭复合材料在环境领域应用已经取得了一定的研究成果，但是较系统的研究生物炭复合材料在环境中的应用还处于起步阶段，特别是工程复合生物炭的制备和应用，几乎还没有得到应有的广泛研究。

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，提供一种吸附容量大，吸附效率高、具有工程应用价值的石墨烯修饰的生物炭复合材料，还提供了一种石墨烯修饰的生物炭复合材料的简单制备方法，同时提供了石墨烯修饰的生物炭复合材料去除水体中Pb²⁺的研究和应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯修饰的生物炭复合材料，所述石墨烯修饰的生物炭复合材料包括石墨烯，十二烷基苯磺酸钠和生物炭，所述石墨烯通过十二烷基苯磺酸钠负载在生物炭上形成网状支架结构。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的石墨烯修饰的生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯加入十二烷基苯磺酸钠溶液中，超声溶解，使石墨烯最终剥落成石墨烯片层，得到石墨烯悬浮液；

(2)将樟木锯屑加入到所述步骤(1)制备得到的石墨烯悬浮溶液中，搅拌、干燥得到混合物；

(3)将所述步骤(2)中制备的混合物进行热解得到石墨烯修饰的生物炭复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中所述十二烷基苯磺酸钠溶液中十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.1～0.8g/L。进一步优选的，十二烷基苯磺酸钠溶液中十二烷基苯磺酸钠的浓度为0.4g/L。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中所述石墨烯悬浮液中石墨烯的浓度为0.01g/100mL～0.08g/100mL。进一步优选的，所述石墨烯悬浮液中石墨烯的浓度为0.02g/100mL。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，所述樟木锯屑与石墨烯的质量比为2.0∶0.01～0.08。进一步的优选的，所述樟木锯屑与石墨烯的质量比为2.0∶0.02。