[发明专利]一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂及其制备方法和应用，本发明通过采用氧化石墨烯纳米片层、八臂聚乙二醇丙烯酸酯、聚醚大单体、丙烯酸羧、阳离子单体进行共聚反应制备水溶胶，再用八臂聚乙二醇羧基、聚醚胺进行交联制备水凝胶，再通过交联及热处理制备了改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂，具有高孔隙率、高比表面积和对重金属离子具有高吸附性能等特点。本发明所制备的气凝胶型吸附剂结构稳定，具有较好的强度和耐水稳定性，可以反复多次使用，再生次数大于50次。在吸附性能上具有吸附速率快、高吸附量和便于回收利用，具有绿色环保的优势。

技术领域

本发明涉及一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂及其制备方法和应用，属于功能材料领域。

背景技术

含有重金属离子污染的废水主要是指含有铬、镍、铜、锌、汞、锰、镉、钒、铅、锡等有毒重金属离子的废水。含重金属离子废水来源很广，如金属矿山、有色冶炼、电子工业、机械工业、化学工业、垃圾焚烧和制革等行业在生产过程中都将产生大量的含重金属离子废水。不加处理或处理未达标的含重金属离子废水大量外排将对人体和生态环境造成危害，据资料统计，仅中国的含重金属离子废水年排放量就超过50亿吨。

对含重金属离子废水的处理方法有化学沉淀法、电解法、化学法、离子交换法和吸附法等，对于含重金属离子废水的处理，除满足国家和相关部门的排放要求外，还要考虑经济性、适用性及处理过程简便。如化学沉淀法是经国内外应用证明并普遍使用的方法，但是实际应用中需要根据废水中含重金属离子的种类、浓度等加入一定量的碱剂提高pH值，使各种金属离子与氢氧根（OH-）反应生成金属氢氧化物而共同沉淀。当废水中含有多种金属离子时，要根据具体情况控制不同pH值。容易出现的问题是：在一定的PH值下，一种重金属离子形成沉淀，而某种已经形成沉淀的重金属离子出现反溶。沉淀法工艺流程简单，操作方便，但是沉淀法适用于金属离子含量较大的废水。沉淀处理后的废水仅能实现达标排放，处理效果效果不尽人意，无法适应越来越严格的环保法规，难以实现水回用，沉淀物容易形成二次污染化学法容易引起二次污染，电解法和离子交换法效率低，能耗高。

目前，吸附法以其成本低、操作简便、去除率高、可反复使用等优点，被认为是去除污染物最广泛的方法。活性炭、矿物沸石、生物基材料、聚合物基复合材料和碳基材料等已被广泛应用于吸附剂的研究中。在这些吸附剂中，特别是氧化石墨烯纳米片层作为一种新型的碳材料，其表面富含羧基、羟基、环氧基等含氧官能团，具有高比表面积、化学性稳定好、环保等优点，是去除水体污染的有效吸附剂。尽管氧化石墨烯单片层具有出色的吸附性能，然而由于片层尺寸小、片层之间很容易发生团聚凝结现象，所以很难形成最佳吸附所需要的单片层及少片层分散状态，因此为了克服氧化石墨烯在吸附方面存在的缺点，常用的方法可以将氧化石墨烯纳米片层以单片层或者少片层形式组装形成三维结构的具有一定强度的氧化石墨烯气凝胶，使其具有体积稳定性，再吸附后可以很方便的回收、再生及二次利用，这样就解决了二维氧化石墨烯纳米片层作为吸附材料的应用问题，而且三维多孔结构具有很高的孔隙率、比表面积，可以提高氧化石墨烯纳米片层与金属离子之间接触面积和作用力，提高其吸附离子的能力。

发明内容

本发明的目的是提供了一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂及其制备方法和应用，采用了氧化石墨烯纳米片层、八臂聚乙二醇丙烯酸酯、聚醚大单体、丙烯酸、阳离子单体及八臂聚乙二醇羧基、聚醚胺等交联剂。制备的气凝胶吸附剂具有稳定的结构及高比表面积、高孔隙率、高吸附性等特点，制备的改性石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂具有高吸附速率、高吸附容量，便于回收利用的性能。气凝胶的密度为0.05~0.07g/cm³，比表面积为345m²/g~370 m²/g，适用于子Pb²⁺、Cd²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺等等金属离子的吸附，其吸附去除率大于99.5%。同时制备过程及工艺路线科学合理，过程操作简单，可再生多次利用，并对金属离子具有高效吸附等优点。