[发明专利]一种石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料

说明书

技术领域

本发明属于复合膜材料制备及水处理领域，具体涉及一种石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料。

背景技术

人类正在面临全球性的可饮用水短缺危机，重金属离子污染加剧了这一问题，直接威胁人类的健康。应用吸附技术去除水体中的重金属离子污染，对实现水体净化具有重要意义。二维材料具有较大的比表面积，能够有效吸附水体中的重金属离子，是一类极具应用前景的吸附材料。然而大多数二维吸附材料通常通过静电吸引作用去除水体中的重金属离子，很难同时去除水体中阳离子型（Ag⁺）和阴离子型重金属离子（HCrO₄^-，AuCl₄^-，PdCl₄^2-）。此外，多数二维吸附材料以粉末形式存在，需要通过絮凝、过滤、离心等方式从水体中分离，在一定程度上增加了时间和经济成本。从操作和成本的角度考虑，将二维材料制成膜材料，实现二维材料的固定具有更为显著的优势，为利用二维材料去除水体中的重金属离子提供了一条有效的方法和途径。然而，在成膜过程中，二维材料易发生堆叠现象，形成致密微观结构，阻止二维材料与重金属离子之间的充分接触。基于二维材料的膜材料通常被应用于过滤膜材料，即利用压力差使水通过过滤膜的同时选择性地过滤重金属离子。在无压力差情况下，直接应用二维材料基膜材料去除水体中的重金属离子依旧是一个巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单的石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料的制备方法及其在无压力差条件下高效去除水体中重金属离子中的应用。所制备的石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料具有比石墨烯膜、碳化钛膜以及没有经过盐酸处理的复合膜更高的去除水体中重金属离子的性能，并且易于分离回收。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料为聚偏二氟乙烯膜支撑的基于二维石墨烯及碳化钛的复合膜材料；所述的石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料中碳化钛的质量分数为（80%~95%），石墨烯的质量分数为（5%~20%），二者的质量分数之和为100%。

制备如上所述的石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料的方法包括以下步骤：

（1）碳化钛纳米片溶液的制备：采用Ti₃AlC₂为原材料，制备碳化钛纳米片胶体；具体地，将Ti₃AlC₂加入溶有LiF的盐酸溶液（浓度为9 mol/L）中，溶液温度保持在35℃，反应24小时后用去离子水离心洗涤，洗涤后将所得物重新分散于去离子水中，水浴超声1小时后离心1小时，取离心过后的上层液体得到碳化钛纳米片胶体溶液；

（2）氧化石墨烯的还原：通过（枝状）聚乙烯亚胺还原氧化石墨烯的方法制备石墨烯纳米片；具体地，将（枝状）聚乙烯亚胺溶液滴加到氧化石墨烯水溶液中，90℃回流2小时后离心洗涤，将所得的石墨烯重新分散至去离子水，得到石墨烯分散液；

（3）真空抽滤：将步骤（2）制得的石墨烯分散液滴加到步骤（1）制得的碳化钛纳米片胶体溶液中，室温搅拌1小时后，真空抽滤；所用滤膜为聚偏二氟乙烯膜；

（4）盐酸浸泡：将步骤（3）制得的复合膜材料（附着在聚偏二氟乙烯膜滤膜上）浸泡在1 mol/L的盐酸溶液中24小时后，用去离子水洗去多余盐酸，干燥得到石墨烯/碳化钛复合膜材料。

步骤（1）中，按摩尔比计，Ti₃AlC₂:LiF:HCl=1:7.5:17.6。

步骤（2）中所述的（枝状）聚乙烯亚胺与氧化石墨烯的质量比为10:1。

所述的石墨烯/碳化钛水体净化复合膜材料用于水相中用于去除水体中的重金属离子。

所述的重金属离子包括铬离子、金离子、银离子和钯离子中的任一种，其存在形式为HCrO₄^-，AuCl₄^-，Ag⁺，PdCl₄^2-。

去除水体中的六价铬离子的具体步骤如下：

取30 mL浓度为20 ppm的Cr(VI)溶液于反应器中，加入12 mg石墨烯/碳化钛复合膜材料，每隔一定时间后取适量液体，进行紫外-可见吸收光谱分析。

去除水体中的金离子的具体步骤如下：