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技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。本发明专利技术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。具有绿色环保的优势。具有绿色环保的优势。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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、丙烯酸羧、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Pb
2+
、Cd
2+
、Cr
3+
、Cu
2+
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。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术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的制备方法，包括如下步骤：步骤一，改性氧化石墨烯复合水溶胶的制备在390~420份氧化石墨烯分散液中加入4~6份八臂聚乙二醇丙烯酸酯和6~8份聚醚大单体，搅拌均匀并升温到70℃~85℃，再通过滴加方式加入18~22份丙烯酸羧、5~7份阳离子单体、0.5~1份过硫酸铵与50~80份水的混合溶液，滴加时间为1.5~2小时，加完后保温反应2~3小时，得到改性氧化石墨烯插层复合水溶胶。
[0007]步骤二，改性氧化石墨烯复合水凝胶的制备将步骤一制备的改性氧化石墨烯插层复合水溶胶维持在60℃~70℃，一边搅拌一边依次加入6~8份八臂聚乙二醇羧基和5~7份聚醚胺，加完后继续搅拌形成均匀的氧化石墨烯水溶胶，然后停止搅拌并加热到90℃~95℃并保温3~4小时，冷却得到改性氧化石墨烯复合水凝胶。
[0008]步骤三，改性氧化石墨烯复合气凝胶的制备将步骤二得到的改性氧化石墨烯复合水凝胶冷冻，进行冷冻干燥24~26小时，得到改性氧化石墨烯复合气凝胶。
[0009]步骤四，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将步骤三得到的改性氧化石墨烯复合气凝胶在氧化石墨烯片层混合溶液中浸渍30~40分钟，沥干后在150℃~180℃保持2~3小时进行高温活化处理，冷却制得改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂。
[0010]所述氧化石墨烯分散液是采用改进Hummers法制备的氧化石墨烯纳米片层水相分散液，其中氧化石墨烯含量0.05%、分散液中氧化石墨烯纳米片层直径尺寸为150nm~530nm、片层厚度为1.3~3.5nm，分散液的pH值为4~6，氧化石墨烯含氧量为39.6%~43.7%，其中环氧基含量28.5~32.6%、羧基含量38.3~42.4%、羟基含量25.2~29.1%。
[0011]所述八臂聚乙二醇丙烯酸酯平均年分子量为10000，纯度大于95%。
[0012]所述的聚醚大单体为烯丙基醇聚氧乙烯醚、甲基烯丙基醇聚氧乙烯醚、异戊烯基醇聚氧乙烯醚中的一种，均为工业级，纯度大于99%，分子量均为2100~2600，水分含量1%，羟值为21~22mgKOH/g，不饱和度为0.3~0.35mol/kg，1%水溶液的pH为5.0~7.0。
[0013]所述丙烯酸纯度为99%。
[0014]所述阳离子单体为丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸
‑
N,N
‑
二甲氨基乙酯、二甲基二烯丙基氯化铵中的一种或者几种混合物，纯度为99%。
[0015]所述八臂聚乙二醇羧基为白色粘稠状液体，相对分子质量为550~1000，纯度大于
98%。
[0016]所述聚醚胺外观为无色至浅黄色液体，纯度大于99%，相对分子量为1300~2000，密度0.997g/mL，胺值220~273mg KOH/g，粘度15~30mPa.s。
[0017]所述冷冻干燥的温度为
‑
50~
‑
58℃，真空度小于50Pa。
[0018]按上述制备方法制得的一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂。
[0019]按上述制备方法制得的一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、改性氧化石墨烯复合水溶胶的制备：在390~420份氧化石墨烯分散液中加入4~6份八臂聚乙二醇丙烯酸酯和6~8份聚醚大单体，搅拌均匀并升温到70℃~85℃，再通过滴加方式加入18~22份丙烯酸羧、5~7份阳离子单体、0.5~1份过硫酸铵与50~80份水的混合溶液，滴加时间为1.5~2小时，加完后保温反应2~3小时，得到改性氧化石墨烯插层复合水溶胶；步骤二、改性氧化石墨烯复合水凝胶的制备：将步骤一制备的改性氧化石墨烯插层复合水溶胶维持在60℃~70℃，一边搅拌一边依次加入6~8份八臂聚乙二醇羧基和5~7份聚醚胺，加完后继续搅拌形成均匀的氧化石墨烯水溶胶，然后停止搅拌并加热到90℃~95℃并保温3~4小时，冷却得到改性氧化石墨烯复合水凝胶；步骤三、改性氧化石墨烯复合气凝胶的制备：将步骤二得到的改性氧化石墨烯复合水凝胶冷冻，进行冷冻干燥24~26小时，得到改性氧化石墨烯复合气凝胶；步骤四、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：将步骤三得到的改性氧化石墨烯复合气凝胶在氧化石墨烯片层混合溶液中浸渍30~40分钟，沥干后在150℃~180℃保持2~3小时进行高温活化处理，冷却制得改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂。2.根据权利要求1所述的一种改性氧化石墨烯复合气凝胶型重金属离子吸附剂的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述氧化石墨烯分散液是使用改进Hummers法制备的氧化石墨烯纳米片层水相分散液，其中氧化石墨烯质量分数为0.05%，分散液中氧化石墨烯纳米片层直径尺寸为150nm~530nm，片层厚度为1.3~3.5nm，分散液的pH值为4~6，氧化石墨烯含氧量为39.6%~43.7%，其中环氧基含量28.5~32.6%、羧基含量38.3~42.4%、羟基含量25.2~29.1%；所述八臂聚乙二醇丙烯酸酯平均分子量为10000...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕生华，吴磊，李泽雄，刘雷鹏，刘相，高党国，左鹏军，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：