一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料及其制备方法。该制备方法以氟钛酸铵为原料，用hummers法制备的氧化石墨烯作为载体，再通过水热法将氧化石墨烯和氟钛酸铵混合进行水热转化，制备得到所述石墨烯基TiO2纳米复合材料。本发明专利技术制备方法制备工艺简单，不需昂贵设备，原料易得、环保，成本低廉，性价比高，制备过程无环境污染；本发明专利技术的石墨烯基TiO2纳米复合材料，具有较大的比表面积，能够吸附较多的有机物，在使用过程无环境污染，对有机物的去除效率高，为饮用水安全和环境水体保护提供有力支持，能广泛应用于实际的去除饮用水中腐殖酸。

A graphene based TiO for removal of humic acid in rural drinking water

The invention discloses a graphene base TiO for removing humic acid in rural drinking water

【技术实现步骤摘要】
一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料及其制备方法
本专利技术涉及光催化吸附
，具体涉及具有高效去除饮用水中腐殖酸的光催化吸附复合材料及其制备方法。
技术介绍
腐殖酸是地表水和土壤中广泛存在的重要天然吸光物质，是水体中天然有机物的主要成分（约占总有机物的50%～90%），含酚羟基、羧基、醇羟基等多种官能团的大分子多环芳香化合物，是构成水体中色度的主要成份之一。腐殖酸分子与水中重金属离子之间有较强的络合作用，可增强胶体的稳定性，能够形成复合污染物，从而影响水处理效果；在饮用水处理中，腐殖酸类物质可与氯反应生成三氯甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等氯消毒副产物(DBPs)的主要前驱物，属于致畸致癌物；腐殖酸会影响人体对无机元素的吸收和代谢平衡，导致大骨病的发生，因此，水体中腐殖酸的存在会直接威胁人类的健康。螯合、吸附和氧化还原能力，对有机、无机化合物在自然界的迁移、转化和归宿，饮用水水源地水质有非常重要的影响，因此对于如何经济高效地去除饮用水水源地水体中腐殖酸，已成为环境界的研究热点。目前，去除水体中腐殖酸研究应用较多的方法主要有膜滤法、絮凝法、氧化法、生物法、吸附法等，然而在实际应用过程中都存在着一些问题。膜滤法虽然能够去除大分子物质，却很难去除亲水性小分子有机物；腐殖酸是难分解的阴离子型大分子以及亲疏水性组分、荷电性等直接影响超滤过程中去除率和通量的降低，极易造成膜污染。絮凝法可以有效地去除胶体类、腐殖酸类和高分子类的消毒副产物（DBPs）先质，而对溶解性的非腐殖酸类和低分子（DBPs）先质的去除效果相对较差。尽管絮凝法是一种不需增加高额投资而能实现在现有的处理构筑物基础上控制DBPs形成的重要技术，但其往往难以有效地去除溶解态的DBPs先质，从而使混凝处理后的出水达不到要求，加大了后续工序的处理负荷，对饮用水的安全构成了潜在的威胁。生物法则要培养相应的微生物进行生物降解，处理过程中对水力负荷、pH值、温度和曝气量要求较高，同时其去除率较低；臭氧氧化法虽然可以杀菌净化水质，但是臭氧需要现场发生，运行费用较高。光催化氧化技术是近20年来研究较为广泛的水处理方法。二氧化钛由于其独特的光催化特性，作为新一代的最有开发前途的绿色环保型催化剂在水环境净化处理、大气污染治理、抗菌材料中有着广泛的应用而成为研究的热点。自从1976年Carey提出了多氯联苯可以在TiO2/UV作用下光催化分解以来，很多人对水中的有机污染物进行了多项光催化氧化分解研究。有研究表明在紫外光照射下，TiO2产生强氧化性的·OH和•O2-自由基，与腐殖酸发生自由基链反应，最终使腐殖酸变为小分子乃至二氧化碳、水和无机酸。但是，由于TiO2较宽的禁带宽度导致吸收可见光的能力有限，回收重复利用困难。因此，对光催化剂的改性制备，从而得到吸光能力强，重复利用性能好的催化剂，成为研究光催化剂的重要问题。石墨烯是一种二维结构的单原子厚度的碳原子层，是目前发现的最薄的物质，由单层碳原子组成的二维晶体材料，完美的石墨烯结构是碳原子的六元环结构，并周期性排列于石墨稀平面内，其中每个碳原子与相邻的三个碳原子以sp2杂化的方式相互键合，每个碳原子再贡献一个未成键的π电子构成π轨道，π电子可以自由移动，赋予石墨烯优异的导电能力，其电子的运动速度达到光速的1/300。石墨烯的厚度仅为1个碳原子的厚度，即0.335nm，C-C键的键长为0.142nm，键角120°，它是构成其它维数碳材料的基本单元。石墨烯具有以下优点：（1）石墨烯具有良好的电子传输性能。石墨烯是价带（π电子）和导带（π*电子）交于一点的零带隙半导体材料，石墨烯中的载流子可以是电子也可以是空穴。石墨烯的电荷载流子可在电子和空穴之间连续调节，并且载流子迁移速率几乎不受温度影响，室温下即可获得很高的迁移率，如果忽略杂质的影响，其理论迁移速率可达2×105cm2/V•S。（2）石墨烯在力学上具有极高的硬度和强度，是迄今为止力学强度最高的材料。（3）石墨烯具有较高的热导率。（4）石墨烯的比表面积理论值高达2600m2/g，对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性，其远高于其他碳材料，同时，石墨烯还具有潜在的磁性能。石墨烯还具有室温下的量子霍尔效应，量子隧道效应等许多独特的物理性能。石墨烯的这些优点使其在电子技术、能量储存等领域得到广泛的应用。为提高TiO2的光吸收能力，结合石墨烯的优良特性，通过实验条件的调节，在石墨烯载体上实现石墨烯-二氧化钛纳米复合催化颗粒，将TiO2与石墨烯复合在一起。由于石墨烯的特殊的电子结构，将石墨烯与TiO2合成的复合光催化剂去除腐殖酸，具有很大优势：（1）在光催化反应体系中，由于石墨烯及纳米TiO2的独特结构，石墨烯-TiO2纳米复合材料能够将溶液中大量的腐殖酸吸附到复合材料的表面，具有高的吸附活性，很快达到吸附平衡；（2）紫外光照射作用诱导TiO2内部所产生的光生电子与空穴经石墨烯的修饰处理得到有效的分离，有效抑制了TiO2的光生电子和光生空穴的复合，量子效率得以明显提高，光生电子与空穴分别进一步反应生成各种活性物质，随后氧化降解吸附在石墨烯-TiO2纳米复合材料表面的腐殖酸，最终因紫外光照射作用被光催化降解。因此，基于吸附-光催化降解两种效应协同作用，石墨烯-TiO2纳米复合材料表现出了增强的光催化活性，使TiO2的综合性能更好地发挥出来，增强了石墨烯-TiO2纳米结构复合物在吸附-光催化降解水体中有机污染物的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高效去除腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料，该材料吸附和催化效率高，为水体中的腐殖酸的去除提供了一种高效、低成本的新途径，能很好地应用于农村饮用水中腐殖酸的去除。本专利技术还提供一种所述石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法。该方法以氟钛酸铵为原料，用hummers法制备的氧化石墨烯作为载体，再通过水热法将氧化石墨烯和氟钛酸铵混合进行水热转化，制备得到所述石墨烯基TiO2纳米复合材料；制得的石墨烯基TiO2纳米复合材料中的TiO2为锐钛矿型。本专利技术目的通过如下技术方案实现。一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）冰水浴中，将硝酸钠加入浓硫酸中，搅拌至硝酸钠粉末悬浮在溶液中，加入石墨粉，继续搅拌均匀，得到混合溶液；在得到的混合溶液中加入高锰酸钾，水浴条件下搅拌至形成浓浆；（2）在得到的浓浆中缓慢加入去离子水稀释，搅拌均匀，升温，再次加入去离子水稀释上述浓浆，缓慢加入双氧水，继续搅拌得到混合溶液；将混合溶液离心分离，除去上清液，沉淀物依次用盐酸和去离子水离心洗涤；将洗涤后的沉淀物在超声分散在水中，得到稳定的氧化石墨烯溶液；（3）在氧化石墨烯溶液中加入氟钛酸铵和硼酸，搅拌均匀，水浴条件下封闭加热；加热结束后，将混合液过滤，洗涤沉淀物，干燥；将干燥后的固体在马弗炉中加热钙化处理，得到所述石墨烯基TiO2纳米复合材料。进一步地，步骤（1）中，所述浓硫酸与硝酸钠的液料比为46:1ml/g。进一步地，步骤（1）中，所述石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1。进一步地，步骤（1）中，硝酸钠加入至浓硫酸中后，搅拌的时间为0.5~2h。进一步地，步骤（1）中，所述继续搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO

【技术特征摘要】
1.一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）冰水浴中，将硝酸钠加入浓硫酸中，搅拌至硝酸钠粉末悬浮在溶液中，加入石墨粉，继续搅拌均匀，得到混合溶液；在得到的混合溶液中加入高锰酸钾，水浴条件下搅拌至形成浓浆；（2）在得到的浓浆中缓慢加入去离子水稀释，搅拌均匀，升温，再次加入去离子水稀释上述浓浆，缓慢加入双氧水，继续搅拌得到混合溶液；将混合溶液离心分离，除去上清液，沉淀物依次用盐酸和去离子水离心洗涤；将洗涤后的沉淀物在超声分散在水中，得到稳定的氧化石墨烯溶液；（3）在氧化石墨烯溶液中加入氟钛酸铵和硼酸，搅拌均匀，水浴条件下封闭加热；加热结束后，将混合液过滤，洗涤沉淀物，干燥；将干燥后的固体在马弗炉中加热钙化处理，得到所述石墨烯基TiO2纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述浓硫酸与硝酸钠的液料比为46:1ml/g；所述石墨粉与硝酸钠的质量比为1:1；硝酸钠加入至浓硫酸中后，搅拌的时间为0.5~2h；所述继续搅拌的时间为1h。3.根据权利要求1所述的一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高锰酸钾与石墨粉的质量比为6:1；所述水浴条件下搅拌是在35℃水浴条件下搅拌1h。4.根据权利要求1所述的一种去除农村饮用水中腐殖酸的石墨烯基TiO2纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓，周少奇，
申请(专利权)人：贵州科学院，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：贵州,52