[发明专利]一种三维碳纳米材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维复合碳纳米材料的制备方法以及其去除水中重金属与有机染料分子的应用，属于水处理领域。

背景技术

随着水资源大规模的开发利用，以及环境污染的日益严重，特别是工业污水中重金属离子和有机染料分子对水体的污染，这对饮用水资源的净化提出了新的要求。水体重金属离子污染主要是由于矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中产生的重金属废水(含有铬、镉、铜、汞、镍、锌等重金属离子)是对水体污染。如果用含有重金属离子的废水作为肥料和灌溉农田，会使土壤受污染，造成农作物中及进入水体后造成水生生物中重金属离子的富集，通过食物链对人体产生严重危害。而纺织和印染工业产生的有机染料废水，含有大量的致癌物质，严重影响人类健康。而且有机染料污染物大多带有颜色，还会阻止阳光穿透水体，削弱水生生物的光合作用，影响水生生物的健康成长。因此，开发性能优良的净水材料，有效的去除水中的重金属离子和有机染料分子尤为重要。

净水材料是水处理过程的核心部件，在很大程度上决定了水质净化的效果和经济效益。理想的水处理过滤器应具有以下特性：(一)具有较大表面积和活性点，能对水中污染物高效、快速的吸收；(二)净水材料本身环保、无毒，不会对水体产生二次污染；(三)净水材料可以循环利用，价格低廉，有利于大规模推广应用。目前在水处理中应用广泛的净水材料是一系列具有高比表面积的物质，主要包括活性碳、分子筛、硅胶、等具有强吸附能力氧化物。它们具有生产简单、价格低廉、等优点。但这类材料大都以粉体存在，其吸附后的分离和脱附处理较为麻烦。同时，它们的净化效果对水处理工艺要求高，与堆积密度、净化水流量等参数密切相关；此外，这些粉体净化材料，不易加工成模块产品。

发明内容

为了提高水处理净化的效能，构建具有三维结构的碳纳米材料用于水处理引起了极大地研究兴趣。因此，在多孔块状石墨毡上沉积碳纳米纤维和石墨烯片，进一步增大其的比表面积和吸附活性点，构建三维立体碳复合材料并应用于水处理。该复合材料对水中重金属离子与有机染料分子具有优异的吸附性能，并满足水净化材料的各项要求，对水质净化和水资源紧张现状的改善具有重大意义。

本发明的目的在于提供一种高比表面积、高吸附活性和吸附容量的净水材料的制备方法及采用该材料的水处理过程。该材料在处理水过程中表现出良好的净化效果。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三维碳纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备催化剂前驱体，所述催化剂前驱体为氧化铁纳米棒或镍铜草酸纳米纤维；

(2)催化剂前驱体向支撑基体上的转移：支撑基体首先在空气中300～500℃热活化6～48h进行预处理；通过浸渍法将催化剂前驱体沉积在支撑基体上；

(3)通过甲烷的热催化沉积以氧化铁纳米棒或镍铜草酸纳米纤维为躯体，制备支撑的石墨烯纳米片或支撑的碳纳米纤维。

步骤(3)所述的碳纳米材料为富勒烯、碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)和石墨烯片中的一种或两种以上。

所述碳纳米材料的长度为50nm-50um。

所述支撑基体为活性碳，石墨毡，氧化铝，碳化硅和金属纤维的一种或两种以上。所述支撑基体的厚度为0.1mm～10mm，长度和宽度只受生产工艺限制。

所述镍铜草酸纳米纤维的制备：

按化学计量比取硝酸镍六水合物和三水合镍铜分别溶于乙醇中，配成溶液A和溶液B，然后将溶液B在磁力搅拌下滴定在溶液A中；最后得到的悬浮液转移到高压釜中，100～200℃保存12～48h，最后得到的产物用去离子水冲洗干净，干燥即可。

所述氧化铁纳米棒的制备：

按化学计量比取硝酸铁和氢氧化钠分别溶于乙醇中，配成溶液A和溶液B，然后将溶液B在磁力搅拌下滴定在溶液A中；最后得到的悬浮液转移到高压釜中，100～200℃保存12～48h，最后得到的产物用去离子水冲洗干净，干燥后在空气中煅烧4～8h即可。

步骤(2)将催化剂前驱体沉积在支撑基体上的具体步骤为：将草酸镍铜通过交替的超声分散到乙醇中，形成分散悬浮液，将预处理后的支撑基体浸渍在所得悬浮液中15min，然后取出支撑基体转移至烘箱干燥，这种浸渍-干燥过程重复一遍以上。

步骤(3)三维碳纳米材料合成的具体步骤为：在石英管反应器中，以甲烷为还原气体，以5℃/min的升温速度升至650℃，在650℃下发生原位还原反应，控制反应的时间为30min以上(优选30～240min)。