[发明专利]氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料和环境领域，具体涉及到一种氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料及其制备方法，还涉及氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料在处理水体中Pb²⁺的应用。

背景技术

近年来，随着经济的高速发展，工农业领域化学试剂的大量使用，使我国大部分地表水和地下水受到了不同程度的污染，其污染物包括重金属和有机物等。如果受污染的水体不加处理或处理不当，就会对公共健康和生态环境造成严重的危害。比如：重金属铅离子(II)不仅能够广泛存在于土壤中和地表水的水体中，还能够在地下水中循环。可以引起肾脏，中枢神经，生殖系统，肝脏和生殖系统的严重损害。

目前处理污染水体的方法主要有过滤，生物吸附，化学沉淀法，电沉积，膜系统，离子交换等。与其他方法相比，吸附法因其操作方便、吸附剂的种类多样、运行成本低、效率高、设计灵活、容易再生、处理的废水适于回收利用等优势而成为一个应用广泛且高效的处理方法。近几年来，在用吸附法治理环境中，具有工程材料特征的生物炭和生物炭复合材料得到了一定程度的应用。生物炭可以由各种各样的生物质材料制备得到，包括农业、林业等产生的剩余物，在无氧的条件下热解得到。生物炭可以广泛应用于废水的处理主要是因为它具有较大的比表面积，比较密集稳定的的孔径结构。用现有生物炭技术和新兴的生物技术和纳米技术结合来合成新的环境友好型，经济适用型的生物炭复合材料，近年来得到了广泛的关注。以前的研究中已经用厌氧颗粒污泥，纳米零价铁，磁性氧化铁，碳纳米管，AlOOH，粘土，镁，氧化镁纳米片，MnO_x和生物炭的复合合成生物炭复合材料。这些复合材料都具有良好的物理性能，并且对污染物质具有较大的吸附容量和吸附效率。

石墨烯的物理化学结构与富勒烯非常相似，但石墨烯具有价格低，可以作为涂层剂和包装剂来合成新的杂种纳米复合材料的优势。以前的研究中已经成功合成石墨烯包裹二氧化钛，石墨烯/碳纳米管，磁性石墨烯复合材料，并且能够高效的去除水体中的芳香族化合物和重金属的去除。Zhang通过1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐合成了石墨烯生物炭复合材料，并且研究了从废水中去除亚甲基蓝的可能性。上述石墨烯-生物炭复合材料虽然成功合成，但是其合成的复合材料的尺寸比较大，并不能形成纳米级的合成材料，同时没有系统的研究对亚甲基蓝去除的影响，特别是没有研究用这种复合材料去除污染水体中重金属的过程。

虽然生物炭复合材料在环境领域应用已经取得了一定的研究成果，但是较系统的研究生物炭复合材料在环境中的应用还处于刚刚起步阶段，特别是工程生物炭的制备和应用，还没有得到应有的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附容量大、吸附效率高的氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料。还提供了一种合成方法简单，材料易得，能够大规模生产和应用的氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料，可大规模应用于去除水体中Pb²⁺。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：

一种氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料，包括氧化石墨烯，生物炭和壳聚糖，所述氧化石墨烯通过壳聚糖粘结在生物炭上形成支架结构。

上述的氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料，优选的，壳聚糖在氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料中的质量百分含量为15％左右。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备生物炭；

S2、把壳聚糖溶解在乙酸溶液中形成壳聚糖乙酸混合溶液；

S3、将壳聚糖乙酸混合溶液与氧化石墨烯混合形成壳聚糖/氧化石墨烯混合溶液；

S4、把步骤S1制备得到的生物炭加入到步骤S3制备的壳聚糖/氧化石墨烯混合溶液混合得到氧化石墨烯修饰的生物炭复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤S1中所述生物炭采用将樟木锯屑在氮气氛围下热解制备得到。

上述的制备方法，优选的，所述热解温度为550～650℃。进一步优选的，热解温度为600℃。

上述的制备方法，优选的，热解时间为0.5小时，热解过程中升温速率为5～10℃/min。

上述的制备方法，优选的，樟木锯屑采用经90℃干燥后的樟木锯屑，樟木锯屑的粒径为0.1～0.25mm。

上述的制备方法，优选的，优选的，经热解得到的生物炭冷冻干燥后保存，冷冻干燥的温度为-70～-55℃，时间为12h。

上述的制备方法，优选的，步骤S2中乙酸溶液中乙酸的质量百分含量为2～3％。