[发明专利]快速、高效、选择性吸附Pb(II)的氧化石墨烯/SBA-15复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯复合材料领域，涉及一种新型的对Pb(II)快速、高效选择性吸附的氧化石墨烯复合材料，具体为一种氧化石墨烯/SBA-15复合材料及其制备方法。

背景技术

随着国家工业化的发展，我们的生存环境也面临着严峻的考验。重金属污染作为一类重要的环境问题，其本身难以自然降解，并且可通过食物链在生物体内不断累积，给人类和其他生物造成严重危害，其中以Pb(II)、Cr(VI)、Hg(II)、Cd(II)为甚。铅对许多生命组织有强的潜在性毒性，一直被列为强污染物范围，长期接触铅及其化合物会导致心悸，血红细胞增多，影响人类大脑和神经系统，可致癌、造成DNA畸变或突变等，特别对于正在发育中的儿童，微量铅的超标即会严重影响其智力和身体的健康。

目前对于重金属离子污染主要治疗方法包括：絮凝法、沉淀法、膜分离法、生物处理技术、离子交换法以及吸附法等，其中吸附法以其不产生二次污染、反应效率高、可循环利用等优点得到广泛应用。氧化石墨烯(GO)作为一种新型的碳材料因其高的比表面积(理论值可达2630m2/g)以及丰富的含氧官能团在重金属吸附领域备受关注。但由于其在水和大部分有机溶剂溶液中的良好分散性，通常需要采用高速离心或者透析等复杂的方式从溶液中分离。针对以上难题，Lee等人将二氧化钛负载在氧化石墨烯上，吸附重金属Pb(II)、Cd(II)、Zn(II)，其吸附量分别为65.6mg/g、72.8mg/g、88.9mg/g(Lee Y-C,Yang J-W.J Ind Eng Chem 2012；18:1178)；Hao等人将石墨烯与二氧化硅复合吸附重金属Pb,其吸附量为113.6mg/g(Hao L,Song H,Zhang L,Wan X,Tang Y,Lv Y.J Colloid Interface Sci2012；369:381.)，以上方法虽然有效改善了氧化石墨烯难分离的特点，但复合后的材料对重金属的吸附量有明显下降。

发明内容

本发明是针对氧化石墨烯在重金属吸附领域遇到的难分离以及复合后吸附量明显降低的问题，目的在于提供一种新型的氧化石墨烯复合材料，即氧化石墨烯/SBA-15复合材料及其制备方法。

在此，一方面，本发明提供一种快速、高效、选择性吸附二价铅离子的氧化石墨烯/SBA-15复合材料，所述氧化石墨烯/SBA-15复合材料包括通过共价键相连接的氧化石墨烯和SBA-15，其中氧化石墨烯和SBA-15的质量比为1：(5～20)。

本发明通过在氧化石墨烯上以共价键连接SBA-15，有效地改善了氧化石墨烯从溶液中的难分离的问题，并在一定程度上保留了氧化石墨烯对重金属的吸附特性，具有快速、高效、选择性吸附Pb(II)的优点，且对环境友好，可重复利用。其吸附性能特征包括如下方面：

(1)pH在4—7范围内，5mg吸附剂对20mL Pb(II)浓度约10mg/L溶液的吸附率在98％以上，吸附效率高；

(2)pH为4，5mg吸附剂对20mL含Pb(II)浓度5mg/L溶液达到吸附平衡时间约为10min，吸附速度快；

(3)pH为4，5mg吸附剂对20mL Pb(II)浓度约5-300mg/L进行吸附，随溶液浓度增大，吸附量增加，当溶液浓度为200mg/L时吸附容量最大为265.89mg/g；

(5)pH为4，5mg吸附剂对75mL含金属离子Ca(II)、Cd(II)、Co(II)、Hg(II)、K(I)、Mg(II)、Ni(II)、Zn(II)各10mg/L溶液吸附，对Pb(II)吸附完全，而对其他金属离子基本不吸附，故对Pb(II)有良好的选择性吸附。

较佳地，所述共价键为由氧化石墨烯的羧基与氨基化的SBA-15的氨基所形成的酰胺键，所述氨基化的SBA-15为末端带氨基的硅烷偶联剂改性的SBA-15。

较佳地，所述末端带氨基的硅烷偶联剂包括：3-氨丙基三乙氧基硅烷、和/或3-氨丙基三甲氧基硅烷。

另一方面，本发明还提供上述氧化石墨烯/SBA-15复合材料的制备方法，所述制备方法包括：将氧化石墨烯与末端带氨基的硅烷偶联剂改性的SBA-15在缩合剂的存在下进行缩合反应，反应完毕后将产物过滤、洗涤、干燥后即得所述氧化石墨烯/SBA-15复合材料。

本发明通过缩合反应即可将氧化石墨烯与SBA-15复合，简单易行，可控性强。而且反应后处理简单，直接过滤即可将产物从反应溶液中分离，由此也可以说明本发明的氧化石墨烯/SBA-15复合材料易于从溶液中分离。