一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用，它是以氧化石墨烯粉末为原料，草粉为改性剂，经过水热反应制得，本发明专利技术用草粉对石墨烯进行改性，不仅可以防止石墨烯片层的团聚，还提高了气凝胶的机械强度，搭建成形状和结构稳定的草改性石墨烯气凝胶复合材料；同时改性后的气凝胶疏水性强，可以实现油水高效分离；对水的接触角显著增加，其值可达到146°，疏水性提高，吸附容量增大，最高可达到145.8g·g

Highly effective oil-water separation of grass modified graphene aerogel and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用，属于化学及环境

技术介绍
随着现代化学工业和石油开采的高速发展，有机化学试剂泄漏和泄油事件层出不穷。在开采、炼油、储油、运输过程中，由于技术缺陷、操作不慎以及事故等原因，会产生大量的含油废水。其中，运输中产生的污染最为严重。油和有机溶剂的外泄不仅造成了巨大的经济损失，而且导致了许多严重的环境问题，对人类健康和生态环境构成了严重的威胁和挑战。泄露的有机物会直接毒害水体中的生物，还会在水体表面形成油膜，事故导致的油膜停留时间较长，会影响气液交换的过程，从而影响生物的生化功能，致使水生生物死亡，从而破坏海洋生态平衡。同时，石油等油品具有较强的粘性，粘附在动物表面很难处理。此外，石油中含有大量的难降解有机物、重金属等，长期存在于水体中，一旦进入食物链，则会严重危害水产业及人类健康。这不仅是对能源的浪费，更是在经济、环境、生态方面造成了不可估量的损失。为了解决泄露引起的污染问题，最大程度的减少危害，众多学者进行了多方面的研究。目前有很多常规技术，包括生物降解，原位燃烧，浮选、过滤等。然而，这些方法有一定局限性，限制了它们的实际应用，例如成本高，处理过程复杂，效率低，有安全隐患，产生二次污染等。目前，吸附由于简便、高效、可回收利用、无二次污染，已成为溢油处理的首选方法，在油水分离方面具有良好的发展前景。目前关于高效吸油材料的研究众多。其中，石墨烯气凝胶(GA)作为一种特殊的三维网状多孔材料，由于其优异的物理化学性质，如密度小，表面积大，多孔结构丰富和表面化学特性可调节等，已成为吸油材料的研究热点。但是三维石墨烯气凝胶的构建只是依靠石墨烯片层间的静电作用、氢键或π－π键作用，难以实现三维石墨烯结构体的高力学性能。在机械力作用下，石墨烯气凝胶容易造成不可逆的损坏，不足以满足实际生产应用的要求，而且石墨烯的高成本也制约了它的大规模应用。中国专利文献CN107686107A公开了一种弹性疏水碳纳米管-石墨烯复合气凝胶，将氧化石墨烯、羧基碳纳米管、还原剂及聚合物混合形成均匀水溶液，经过高温加热还原和干燥生成碳纳米管-石墨烯气凝胶。该方法工艺复杂，成本高；而且为了增强其机械强度，需要添加交联剂，这就降低其疏水性能。因此，亟需一种高机械强度、高疏水性能、低成本改性石墨烯气凝胶的出现，以解决目前石墨烯力学性能差或改性石墨烯疏水性能低的缺陷，从而实现石墨烯材料的功能化应用。利用资源丰富、可再生、低成本的生物质制备三维石墨烯材料是环境友好材料的发展方向。草具有来源广泛、易于获得、环境友好等优点，将其作为原料，节省了材料的制备成本，有望实现环境友好型材料的低成本、大规模生产，在实际应用方面具有重要的意义，有广阔的推广应用前景。
技术实现思路
针对现有石墨烯气凝胶材料成本高、机械强度不足、疏水性能差等诸多问题，本专利技术提供了一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶及其制备方法与应用。本专利技术的草改性石墨烯气凝胶具有优异的吸附性能及良好的疏水性，选择性分离效果好、吸附容量大、并且可循环使用，使用寿命长。为解决以上问题，本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶，所述的草改性石墨烯气凝胶是以氧化石墨烯粉末为原料，草粉为改性剂，经水热反应制得。本专利技术的第二个目的是提供一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶的制备方法。一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶的制备方法，包括步骤如下：(1)将草清洗、烘干、研磨、筛分，得到草粉，(2)将尿素加入氧化石墨烯溶液中超声分散均匀，得混合溶液；(3)将草粉加入混合溶液中细胞破碎，得到均匀溶液；(4)将步骤(3)得到的溶液转移密封到聚四氟乙烯反应釜中，水热处理，冷却后，将获得的水凝胶用去离子水浸泡洗涤，冷冻干燥，得到高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶。根据本专利技术优选的，步骤(1)中，草的品种为黑麦草，烘干温度为80℃，草粉筛分至100目。根据本专利技术优选的，步骤(2)中，氧化石墨烯溶液浓度为1-4mg/mL，超声分散时间为3-8min。根据本专利技术优选的，步骤(2)氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯与尿素的质量比为(1-3)：(4-6)，超声处理时间为4-8min。根据本专利技术优选的，步骤(3)中，氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯、草粉的质量比为1：0.25-2，细胞破碎处理时间为15min。根据本专利技术优选的，步骤(4)中，水热反应温度为160-200℃，反应时间为4-8h。根据本专利技术优选的，步骤(4)中，浸泡洗涤时间为46-50h，每隔6h更换一次去离子水；冷冻干燥条件：温度为-40℃～-55℃，真空度为0-15Pa，干燥时间为36-48h。本专利技术的第三个目的是提供一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶的应用。一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶的应用，用于油水分离。根据本专利技术优选的，油水分离具体方法如下：对于油类含量小于等于10mL的油水混合物，在室温下，直接向油水混合物中投加30-60mg草改性石墨烯气凝胶；对于油类含量大于10mL的油水混合物，将草改性石墨烯气凝胶经压缩放置在滤头中进行处理，对于重油，选择重力驱动过滤，对于轻油，选择蠕动泵抽取过滤，从而实现油水分离。本专利技术吸附油后的草改性石墨烯气凝胶用加热蒸馏的方式再生，再生后的气凝胶吸附剂进行循环利用。本专利技术采用的改性剂主要是由木质素(9-20％)，半纤维素(17-32％)和纤维素(25-39％)组成，具有丰富的含氧官能团，比如羟基、羧基、羰基、酚羟基等，可以通过多种分子间的相互作用力与氧化石墨烯中的含氧官能团连接，包括共价键、范德华力、氢键、π-π共轭键等。用草粉对石墨烯进行改性，不仅可以防止石墨烯片层的团聚，还提高了气凝胶的机械强度，搭建成形状和结构稳定的草改性石墨烯气凝胶复合材料；同时改性后的气凝胶疏水性强，可以实现油水高效分离。本专利技术的优点如下：1、本专利技术用草粉对石墨烯进行改性，不仅可以防止石墨烯片层的团聚，还提高了气凝胶的机械强度，搭建成形状和结构稳定的草改性石墨烯气凝胶复合材料；同时改性后的气凝胶疏水性强，可以实现油水高效分离。2、本专利技术以草为改性剂，对氧化石墨烯进行改性，得到自组装的3D改性石墨烯气凝胶，所得材料环境友好、无毒无害、价格低廉。3、本专利技术得到的改性石墨烯气凝胶接触角显著增大，可达到146°，疏水性提高，吸附容量增大，可达到68-145g/g，大大提高了对油类的选择性吸附处理效果。4、本专利技术得到的改性石墨烯气凝胶用于含油废水的处理时，易于分离，用加热再生即可回收利用，吸附效果好，经济环保，无二次污染。附图说明图1为本专利技术实施例1制得的改性石墨烯气凝胶与未改性石墨烯气凝胶的微观形貌图(SEM)；a为改性石墨烯气凝胶的SEM图，b为未改性石墨烯气凝胶的SEM图。图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶，所述的草改性石墨烯气凝胶是以氧化石墨烯粉末为原料，草粉为改性剂，经水热反应制得。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶，所述的草改性石墨烯气凝胶是以氧化石墨烯粉末为原料，草粉为改性剂，经水热反应制得。


2.一种高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶的制备方法，包括步骤如下：
(1)将草清洗、烘干、研磨、筛分，得到草粉，
(2)将尿素加入氧化石墨烯溶液中超声分散均匀，得混合溶液；
(3)将草粉加入混合溶液中细胞破碎，得到均匀溶液；
(4)将步骤(3)得到的溶液转移密封到聚四氟乙烯反应釜中，水热处理，冷却后，将获得的水凝胶用去离子水浸泡洗涤，冷冻干燥，得到高效油水分离的草改性石墨烯气凝胶。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，草的品种为黑麦草，烘干温度为80℃，草粉筛分至100目。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，氧化石墨烯溶液浓度为1-4mg/mL，超声分散时间为3-8min。


5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)氧化石墨烯溶液中氧化石墨烯与尿素的质量比为(1-3)：(4-6)，超声处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳钦艳，宋彦，高宝玉，严建国，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37