一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法及其应用技术

一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法及其应用，属于石墨烯气凝胶技术领域，可解决现有工业有害气体的处理吸收方法吸收量有限以及生产工艺复杂的问题，本发明专利技术采用分步合成法，首先利用沉淀法合成氢氧化钙颗粒，利用电解氧化法合成氧化石墨烯。下一步，采用水热合成法将氢氧化钙和氧化石墨烯聚合反应，最终得到负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料。该复合材料既可用于SO

【技术实现步骤摘要】
一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法及其应用
本专利技术属于石墨烯气凝胶
，具体涉及一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法及其应用。
技术介绍
SO2、H2S、Cl2等酸性气体是常见的工业有害气体，当空气中存在一定浓度的上述气体时，会对人呼吸器官产生强烈的刺激和腐蚀作用，导致中毒甚至致命危害。如何对空气中存在的这些有害气体进行防护和快速消除是环境化学领域中的重要问题，也是企业确保安全生产的重要条件。常见的酸性气体吸收方法为物理吸附和化学吸附法，即利用活性炭自身的微孔结构对气体分子进行吸附和捕获，也可利用活性炭等材料浸渍弱碱（如碳酸钠）、铜盐（硫酸铜）等化学物质与酸性气体发生反应而实现化学吸附。在实际应用中，由于活性炭的微孔结构的孔容积有限，通过物理吸附法很难实现对酸性气体的大量吸附；对于化学吸附法，一方面，由于活性炭在经过浸渍处理后，其孔道结构极易被堵塞，当气体流速较高时，孔隙内的化学吸附剂无法与有害气体充分接触和吸附；另一方面，由于活性炭等材料自重较大，要实现较高的酸性有害气体吸附量就需要大量的活性炭，因而采用活性炭填料的吸附装置较为笨重；再一方面，通过饱和溶液浸渍法对活性炭进行处理，无法负载较大量的化学吸附剂，浸渍液中的化学吸附剂只有一部分能够负载到活性炭表面，如果进行多次浸渍操作则会增加生产工艺的复杂性。石墨烯气凝胶是利用氧化石墨烯进行聚合反应得到的超轻多孔材料，该材料由层数较少甚至单层的石墨烯立体组合而成，具有超高的孔容积，因而能够吸附自身重量几十倍的客体物质，是一种极具应用潜力的吸附材料。
技术实现思路
本专利技术针对现有工业有害气体的处理吸收方法吸收量有限以及生产工艺复杂的问题，提供一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法及其应用。一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：第一步，电解插层石墨阶段：将石墨纸作为电解阳极，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，98%的浓硫酸作为电解液，将石墨纸浸入浓硫酸中，施加电压+1.5~+2.0V进行电解插层反应，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，得到厚度增大5-8倍的插层石墨纸；第二步，电解氧化石墨阶段：将插层石墨纸作为阳极，以稀硫酸或稀硝酸或为电解液，施加电压+7~+9V的电解电压，将插层石墨纸缓慢浸入电解液，插层石墨纸作为牺牲阳极被逐渐氧化变为氧化石墨烯掉入电解液中，利用抽滤法将氧化石墨烯分离出来，电解液回流氧化电解池重复使用，用去离子水少量多次清洗氧化石墨烯后，得到纯净不含重金属离子的氧化石墨烯；第三步，氢氧化钙的制备：称量10.8g氢氧化钠放在2L去离子水中溶解，称量17.98g无水氯化钙放在100mL烧杯中，加入去离子水溶解，将氢氧化钠溶液高速搅拌，然后逐滴加入氯化钙溶液，继续搅拌老化1h，将白色沉淀物抽滤至不滴水，于50℃真空干燥3-6小时后得到约10g氢氧化钙粉末材料，室温密封存储备用；第四步，将氢氧化钙、氧化石墨烯、有机溶剂、多糖交联剂和去离子水混合、搅拌、超声处理30min得到均一的混合分散液，将混合分散液倒入具备四氟乙烯内胆的不锈钢高压反应釜，于120-140℃反应2-3小时后得到负载氢氧化钙的石墨烯水凝胶，将水凝胶冷冻干燥得到最终产物：负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶块状整体材料。第四步中所述有机溶剂包括乙醇或四氢呋喃，所述多糖交联剂包括低聚淀粉或乳糖。第四步中所述氢氧化钙、氧化石墨烯、有机溶剂、多糖交联剂、去离子水的比例为：每100mL混合分散液中，氢氧化钙的添加量为2-10g，氧化石墨烯的添加量为80-90mL，有机溶剂的添加量为混合分散液体积的10-20%，多糖交联剂的添加量为0.2-1g，其中，氧化石墨烯的浓度为10-12mg/mL。根据实际合成量可将上述成分按固定比例加倍扩产。一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料应用于SO2、H2S、NH3、苯及其他VOCs有害气体的多用途同时吸附。一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料应用于化学反应原理对SO2、H2S酸性气体的同时吸附与高效去除。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料，相对于传统吸附材料表现出多项优势，克服了一系列不足：1.合成了超轻的气凝胶复合型化学吸附剂，克服了活性炭等传统吸附材料自重大，笨重的缺点。2.合成了透气性优异的气凝胶型化学吸附剂，克服了传统吸附材料的吸附量与透气阻力成正比的不足。活性炭等传统吸附材料对酸性气体分子的吸附依赖于吸附剂颗粒表面对气体分子的物理和化学吸附，增大比表面积最有效的办法是缩小材料颗粒粒径，但与此同时也增大了气体流通阻力。负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合吸附剂，具有微米级的贯穿型孔道，负载了比表面积较高的氢氧化钙材料，吸附量大，透气性优异。3.合成了吸附量大，且吸附量可调控的石墨烯气凝胶复合材料。通过在材料合成过程中添加不同量的氢氧化钙，可对最终气凝胶复合材料的酸性气体吸附量进行调控。4.气凝胶材料的合成成本低，生产工艺安全可靠。采用乳糖或低聚水溶性淀粉作为交联剂，不需要采用昂贵或危化品作为交联剂。5.气凝胶的合成与广泛应用不会导致重金属离子环境污染。这是由于石墨烯气凝胶的合成前驱体氧化石墨烯的合成方法为电解氧化法，合成过程中不加入Mn、Cr等重金属离子。本专利技术报道的方法中，加入一定量的有机溶剂具有2项重大优势：1.缩短复合材料的冷冻干燥时间，这是因为有机溶剂分子具有更低的融点和易挥发性质，加入有机溶剂与水形成均一的二元溶剂，经冷冻后，在冷冻干燥过程中，有机溶剂分子快速挥发离开气凝胶孔隙，剩余的冰由于失去有机溶剂分子的占位而获得巨大的比表面积，以更快的升华速度离开气凝胶。从而使干燥时间从传统的大于48小时大幅度缩短到8小时以内；2.加入有机溶剂分子使得水分子在结冰后，生成的冰晶体积减小，从而降低结冰对气凝胶的结构破坏程度，获得更为完整的气凝胶材料，通过人眼即可区分开加入有机溶剂和纯水反应体系的气凝胶在外观表面的区别（图6），纯水溶剂合成的气凝胶容易发生表面裂隙、结构收缩现象，而二元溶剂体系合成的气凝胶形态饱满，外表较为平滑。综上所述，本专利技术报道了负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合整体材料的快速、稳定合成方法，所得的石墨烯气凝胶复合材料可用于空气中SO2、H2S等酸性气体的防护与消除。附图说明图1为本专利技术实施例1合成的氢氧化钙粉末图。图2为本专利技术实施例1合成的氢氧化钙粉末的扫描电子显微镜图。图3为本专利技术实施例1的石墨烯物料变化图，其中，A为石墨纸原料；B为插层石墨纸；C为电解氧化石墨烯；D为氧化石墨烯分散液。图4为本专利技术实施例1制备的负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的扫描电子显微镜图。图5为纯气凝胶与本专利技术制备的负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的对比图，其中：A为纯气凝胶；B为本专利技术实施例1制备的负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料。图6纯水溶剂与本专利技术二元溶剂条件下合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：/n第一步，电解插层石墨阶段：将石墨纸作为电解阳极，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，98%的浓硫酸作为电解液，将石墨纸浸入浓硫酸中，施加电压+1.5~+2.0V进行电解插层反应，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，得到厚度增大5-8倍的插层石墨纸；/n第二步，电解氧化石墨阶段：将插层石墨纸作为阳极，以稀硫酸或稀硝酸或为电解液，施加电压+7~+9V的电解电压，将插层石墨纸缓慢浸入电解液，插层石墨纸作为牺牲阳极被逐渐氧化变为氧化石墨烯掉入电解液中，利用抽滤法将氧化石墨烯分离出来，电解液回流氧化电解池重复使用，用去离子水少量多次清洗氧化石墨烯后，得到纯净不含重金属离子的氧化石墨烯；/n第三步，氢氧化钙的制备：称量10.8g氢氧化钠放在2L去离子水中溶解，称量17.98 g无水氯化钙放在100mL烧杯中，加入去离子水溶解，将氢氧化钠溶液高速搅拌，然后逐滴加入氯化钙溶液，继续搅拌老化1h，将白色沉淀物抽滤至不滴水，于50℃真空干燥3-6小时后得到约10g氢氧化钙粉末材料，室温密封存储备用；/n第四步，将氢氧化钙、氧化石墨烯、有机溶剂、多糖交联剂和去离子水混合、搅拌、超声处理30min得到均一的混合分散液，将混合分散液倒入具备四氟乙烯内胆的不锈钢高压反应釜，于120-140℃反应2-3小时后得到负载氢氧化钙的石墨烯水凝胶，将水凝胶冷冻干燥得到最终产物：负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶块状整体材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种负载氢氧化钙的石墨烯气凝胶复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，电解插层石墨阶段：将石墨纸作为电解阳极，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，98%的浓硫酸作为电解液，将石墨纸浸入浓硫酸中，施加电压+1.5~+2.0V进行电解插层反应，以石墨或镍基耐腐蚀合金作为阴极，得到厚度增大5-8倍的插层石墨纸；
第二步，电解氧化石墨阶段：将插层石墨纸作为阳极，以稀硫酸或稀硝酸或为电解液，施加电压+7~+9V的电解电压，将插层石墨纸缓慢浸入电解液，插层石墨纸作为牺牲阳极被逐渐氧化变为氧化石墨烯掉入电解液中，利用抽滤法将氧化石墨烯分离出来，电解液回流氧化电解池重复使用，用去离子水少量多次清洗氧化石墨烯后，得到纯净不含重金属离子的氧化石墨烯；
第三步，氢氧化钙的制备：称量10.8g氢氧化钠放在2L去离子水中溶解，称量17.98g无水氯化钙放在100mL烧杯中，加入去离子水溶解，将氢氧化钠溶液高速搅拌，然后逐滴加入氯化钙溶液，继续搅拌老化1h，将白色沉淀物抽滤至不滴水，于50℃真空干燥3-6小时后得到约10g氢氧化钙粉末材料，室温密封存储备用；
第四步，将氢氧化钙、氧化石墨烯、有机溶剂、多糖交联剂和去离子水混合、搅拌、超声处理30...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦君，李小梅，冯锋，翟红，卢珍，刘志雄，辛智慧，
申请(专利权)人：山西大同大学，
类型：发明
国别省市：山西;14