[发明专利]一种羟基镁@氧化石墨烯负载的碳纤维布的制备、应用及再生方法

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种去除水中重金属离子、氟化物等污染物的多孔吸附布的制备，应用及再生方法。

背景技术

随着经济社会的发展和人口的快速增长，健康饮用水短缺成了越来越受关注的全球性问题。由于人类对重金属的开采、冶炼及加工活动日益频繁，重金属离子(铅，镉，铜，镍等)以及氟离子进入水体中。重金属因具有强的毒性、持久性、高水溶性及生物不可降解性，并且会在生物体内富集，对生态安全及人类健康产生极大的威胁。饮用水中氟超标会导致氟斑牙或氟骨病，严重的会对人类神经造成损伤。常见的去除水体中重金属离子及氟离子的技术主要有化学沉淀法、吸附法、离子交换法、膜过滤法等。化学沉淀法对低浓度重金属离子去除效果差，且会产生大量难处理的沉渣。常用的离子交换树脂对重金属离子选择性低，易受污染且再生难。膜过滤法能耗高成本大，膜易受污染，操作困难。而吸附法被认为是去除水体中低浓度重金属最简单、经济、有效的方法；并且吸附法不会向所处理的水中引入新的化学物质，被认为是安全的，最有前景的水处理技术。

目前纳米吸附剂因其大的比表面积、好的分散性、高的表面活性而表现出高效的吸附重金属的能力。氧化石墨烯(GO)是一种新型二维碳纳米材料，它表面含有丰富的含氧官能团(羧基、羟基、环氧基、羰基)和离域π电子，可通过络合作用和静电作用吸附重金属。同时氧化石墨烯具有好的化学稳定性，是极具前景的吸附材料。学者研究发现氧化石墨烯对铅、镉、钴的吸附性能分别达到了1850、106.3、68.2mg/g，明显高于其他相关报道的吸附材料。并且吸附速率快，大约15min就能达到吸附平衡。然而，在吸附重金属之后，GO之间静电排斥力降低，容易团聚，从而会引起比表面积下降，导致吸附性能降低。另外GO纳米材料尺寸较小，难以分离回收再生，极大地限制了在吸附领域中的应用。而在实际工程应用中，直接将GO纳米材料应用在固定床反应器或者穿流式反应器中，会使水头发生很大的下降。以上缺陷限制了GO纳米材料在工程中的应用。解决上述问题的一个很好的方法是将GO纳米吸附剂固定在多孔基质上，在减少毒性风险的同时，还可以达到相同或者更好的吸附效率。

发明内容

本发明的目的之一是针对水中的二价重金属离子(铅Pb²⁺，铜Cu²⁺，镍Ni²⁺，镉Cd²⁺)和氟离子(F^-)，提供一种具高效吸附能力的羟基镁@氧化石墨烯负载的碳纤维布的制备方法；

本发明的目的之二是提供上述除氟吸附材料在饮用水去除离子中的应用方法及其再生方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

(一)羟基镁@氧化石墨烯负载的碳纤维布的制备方法

羟基镁@氧化石墨烯负载的碳纤维布采用电泳沉积法制备，其中沉积液为氧化石墨烯与硝酸镁的混合溶液。具体步骤如下：

(1)制备氧化石墨烯分散液

①向5～20mL浓硫酸中加入1～3g过硫酸钾和1～3g五氧化二磷，配制成混合溶液；

②向上述混合溶液中加入1～5g天然石墨粉，并在50～100℃下回流反应4～10h；

③将上述溶液置于冰水浴中，向其中加入300～500mL去离子水，搅拌5～24h；

④将得到溶液进行固液分离，所述固液分离方法是沉降、离心或膜过滤的中的一种或一种以上的组合；

⑤将得到的固体石墨在30～60℃下干燥；

⑥将上述预处理过的石墨粉加入50～150mL浓硫酸中，并置于冰水浴中；

⑦向浓硫酸石墨混合液中加入5～20g高锰酸钾，之后置于20～50℃水浴中搅拌1～10h；

⑧向反应后的溶液中加入100～300mL去离子水，搅拌1～5h；

⑨向溶液中加入500～1000mL去离子水和10～50mL双氧水(30％)，搅拌均匀；

⑩将得到溶液进行固液分离，所述固液分离方法是沉淀、离心或膜过滤的中的一种或一种以上的组合；

用500～2000mL的盐酸水溶液冲洗上述得到的固体，其中盐酸的摩尔浓度为0.1～1mol/L；

将得到的固体分散在100～500mL去离子水中，超声分散20～60min后得到氧化石墨烯储备液。

(2)制备混合电沉积液

①向一定体积的氧化石墨烯储备液中加入去离子水，配制浓度为1～3mg/mL的氧化石墨烯水溶液；