[发明专利]一种亲水性石墨烯基碳材料及其应用

说明书

本发明为一种亲水性石墨烯基碳材料及其应用，该亲水性石墨烯基碳材料为用以下方法制得，包括下述步骤：将碳源溶液加入到氧化石墨烯溶液中，搅拌均匀，将混合液转移到不锈钢高压釜中在160‑200℃烘箱中进行水热合成8‑24 h，反应完毕自然冷却至室温，离心或直接收集所得沉淀，然后干燥，即得黑色固体产品，密封保存备用，所述的石墨烯溶液为水溶性氧化石墨烯溶液；所述的碳源为天然多糖、天然多糖衍生物或葡萄糖。本发明对重金属离子的吸附率均达到90%以上，亲水性石墨烯基碳材料能自然沉降，有利于应用过程中粉末样品的回收。

技术领域

本发明涉及无机功能材料领域，特别涉及一种亲水性石墨烯基碳材料的制备方法及其在处理水中重金属离子污染的应用。

背景技术

在我国，由于大量使用剧毒农药，从而造成持久性有机物和重金属离子对环境的严重污染。环保部指出，我国对农药的需求量在世界范围内排第一，然而施用只有35％，65％都作为污染物排入环境中，这些污染物最终又归入土壤，通过降雨经地下和地表径流最终又流入海洋，大量的含重金属离子的废水流入海洋，从而造成靠近大陆海湾的污染。重金属(重金属是指密度大于5g/cm³的金属元素，在环境污染方面所指的重金属主要是指生物毒性显著的Zn、Cu、Hg、Cr、Cd、Pb等)因其特殊的化学、地球化学性质及毒性效应，被称为环境中具有潜在危害的重要污染物，具有高度危害性和难治理性。

目前，常用的处理重金属离子废水的方法有：化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、电解法和吸附法等。化学沉淀法是向重金属离子废水中投加化学沉淀剂或还原剂使重金属离子沉淀或还原的方法。化学沉淀法需要后续处理，需要间歇式操作，工艺复杂，不利于工业化推广；离子交换法是利用离于交换剂的交换基团，与废水中的金属离子进行交换反应，将金属离子置换到交换剂上予以除去的方法。离子交换法对阴离子和阳离子学要采用相应的交换树脂，也不利于工业化操作；膜分离法是利用一种特殊的半透膜，在外界压力的作用下，在不改变溶液中化学形态的基础上，将溶剂和溶质进行分离或浓缩的方法，但膜造价昂贵，不利于工业化应用；电解法是利用电极与重金属离子发生电化学作用而消除其毒性的方法。按照阳极类型不同，将电解法分为电解沉淀法和回收重金属电解法两类。电解法设备简单、占地小、操作管理方便、而且可以回收有价金属。但电耗大、出水水质差、废水处理量小；吸附法是将重金属浓缩并转移，不改变重金属离子的化学性质及生物性，具有占地面积小、合成工艺简单，操作方便、成本低、没有二次污染，吸附剂可重复使用等优点。因此，制备亲水性石墨烯基碳材料作为重金属离子吸附剂，用来处理海洋中的重金属污水保障人们的生活健康和海洋经济的良好发展已经成为海洋经济可持续发展的有效途径。许多专利关于通过吸附剂处理水中重金属离子的方法，例如：公开号为CN103007896A的中国专利报道了吸附重金属阳离子的纤维素吸附剂的制备方法，即1)将纤维素破碎至粒径小于80目后，置于15％-30％的氢氧化钠溶液中60℃浸泡2h；2)加入二甲基亚砜，采用共沸精馏的方式除去多余的水份，得纤维素溶胶；3)在氮气介质存在条件下，将溶胶依次与二咪唑催化剂以及二元或多元胺反应；4)反应产物经甲苯回流12h、过滤、50℃真空干燥12h后，得纤维素吸附剂。该吸附剂对重金属阳离子的吸附效果好、适用范围广、可再生利用。专利号为CN200810246170.2的中国专利报道了在惰性气氛或空气中，在一定温度条件下，将硅烷偶联剂与酸酐按摩尔比1:2-20进行环氧开环反应，将所得产物用溶剂溶解后，按硅烷偶联剂2-10倍的摩尔比在上述溶液中加入卤代烷烃，在0-200℃温度条件下进行胺化反应，将胺化反应后的产物用水或乙醇清洗、干燥，即得到用于吸附重金属离子的吸附剂，在该吸附剂中，酸性基团排列在分子主链的两侧，而碱性基团则始终位于分子主链上。该吸附剂对溶液中的Pb2+，Cu2+等重金属离子具有较强的吸附能力，可用于含有重金属离子废水的吸附分离和净化处理。专利号为CN200810154961.2的中国专利研究了胺基修饰的Fe₃O₄@SiO₂复合微粒处理水体中重金属离子的方法，胺基修饰的Fe₃O₄@SiO₂复合微粒在pH＝4-8的条件下对水中的重金属离子进行吸附去除，吸附时间为0.5h-24h，温度为288-318K。该吸附剂表现出较强的吸附性能，且能通过磁性分离方式进行分离。专利号为CN200910220751.3的中国专利报道了将蟹壳用去离子水洗涤、干燥及粉碎，将所得粉末加入牡蛎水解液中，利用0.1NHCl或0.1NNaOH调节水解液pH值为2-7，将溶液在温度为10-40℃的条件下振荡0.5-6h，离心过滤取上清液。可有效降低牡蛎水解液中的重金属镉、铅和铬的含量，同时也不会影响水解液原有的风味和营养成分。专利号为CN200910088835.6的中国专利研究了向含重金属离子的废水中加入纳米级羟基磷灰石粉，其中，羟基磷灰石粉的用量为6-8g/L，在23-27℃条件下，平衡12-48小时，静置以去除废水中的重金属离子。利用经济价值相对低廉的羟基磷灰石作为吸附剂，在Cd²⁺、Pb²⁺、Cu²⁺离子浓度不超过60mg/L的情况下，重金属离子去除率均大于90％。综上所述，利用吸附剂吸附重金属离子是处理含重金属离子废水的有效方法，但普遍报道制备吸附剂的方法步骤繁琐、条件苛刻且用到的有机溶剂不利于环境保护，因此，发明一种价格低廉、制备工艺简单、反应条件温和、吸附性能优良、无二次污染、可回收利用、适用范围广且具有广阔工业化应用前景的吸附剂成为目前研究的热点。