一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一步法合成氮硫共滲雜石墨締氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸 附去除，屬于廢水處理和材料合成領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 目前，水體中的重金屬污染日益受到人們的共同關(guān)注，運(yùn)也成為國內(nèi)外水環(huán)境污 染治理的研究難題和焦點(diǎn)。水體中的重金屬離子可W在水生生物中富集，通過食物鏈危害 人體健康。目前常用的處理重金屬離子廢水的方法有化學(xué)沉淀法、氧化法、還原法、蒸發(fā)濃 縮法、離子交換法、活性炭吸附法和浮選法等，但都不同程度存在操作困難、處理費(fèi)用昂貴、 易造成二次污染等缺點(diǎn)。電吸附法是近60年來發(fā)展起來的新型水處理技術(shù)，具有能耗低、對 環(huán)境無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在水處理的領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力和廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 用于電吸附的材料有活性碳、碳納米管等含碳材料。石墨締是一種由碳原子Wsp2 雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨締 因其擁有較大的比表面積、載流子遷移率高、機(jī)械靈活性優(yōu)異且良好的熱/化學(xué)穩(wěn)定性等眾 多獨(dú)特的性能，從而受到了廣泛的關(guān)注，并應(yīng)用于很多研究領(lǐng)域，像光子器件、環(huán)境修復(fù)、生 物技術(shù)、催化劑、新能源電池領(lǐng)域等。但是，在制備石墨締的過程中，由于石墨締中存在的K-JT鍵和范德華力可能會導(dǎo)致它發(fā)生不可逆的聚集或者重新堆疊成石墨結(jié)構(gòu)，運(yùn)會影響了石 墨締的性能。而3D石墨締就能有效地防止運(yùn)一現(xiàn)象的發(fā)生。并且運(yùn)一新型材料一石墨締水 凝膠/氣凝膠，具有更大的比表面積，同時質(zhì)量輕、機(jī)械性能好、電子轉(zhuǎn)移率高。
[0004] 在電吸附材料中滲雜其他的雜原子如氮、硫、憐、棚等可W有效的增加重金屬離子 的吸附率，運(yùn)歸因于雜原子和重金屬離子之間的馨合作用。因此，本發(fā)明利用石墨締氣凝膠 的大比表面積W及高的電子轉(zhuǎn)移率用于去除廢水中的重金屬離子，在氣凝膠中滲雜氮、硫 原子，制備氮硫共滲雜石墨締氣凝膠，同時對多種重金屬離子之間的電吸附效果進(jìn)行了研 究，運(yùn)種方法目前尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是在于將材料氮硫共滲雜石墨締氣凝膠應(yīng)用于一個新的領(lǐng)域一電 吸附水中重金屬離子中。將氮硫共滲雜石墨締氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的 重金屬離子。
[0006] 本發(fā)明設(shè)及一步法合成氮硫共滲雜石墨締氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸 附去除，包括W下步驟：
[0007] a、制備氮硫共滲雜石墨締氣凝膠:將氧化石墨締超聲分散于去離子水中，超聲10 ~30min使其分散均勻。待其分散均勻后加入心半脫氨酸，攬拌使其分散均勻。然后將混合 液在95°C的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物置于蒸饋水中沉浸2~3天，然 后冷凍干燥，得到氮硫共滲雜石墨締氣凝膠材料；
[0008] b、制備氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極:將步驟a制得的氮硫共滲雜石墨締氣凝 膠與預(yù)先配制的聚乙締醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均勻涂 抹于硬紙片上，冷凍干燥，得到氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極；
[0009] C、電化學(xué)法去除水中重金屬離子:配制重金屬離子溶液，量取重金屬離子溶液置 于電吸附容器中，將步驟b中制得的氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極對多種重金屬離子分 別進(jìn)行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附重金屬離子實(shí)驗(yàn)采用=電極體系，W紙電極為工作電極，銷片電 極為對電極，甘隸電極為參比電極。同時使用電導(dǎo)率儀實(shí)時監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo) 率保持不變時，即各紙電極吸附達(dá)到平衡。
[0010] 進(jìn)一步，步驟曰中心半脫氨酸與氧化石墨締的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95°C，反應(yīng) 時間為2~地。
[00川進(jìn)一步，步驟C中電吸附水中的多種重金屬離子分別為Pb2+、Cd2+、Hgh及Cu 2+。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是:氮硫共滲雜石墨締氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程 環(huán)保無污染，W運(yùn)些材料修飾的電極對于水中重金屬離子的吸附效率較高、時間短、操作簡 便，材料的電吸附性能與W往材料相比也有了大幅的提升。
【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0014] 圖1為實(shí)施例一中制備的氮硫共滲雜石墨締氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖）；
[0015] 圖2為實(shí)施例二中氮硫共滲雜石墨締氣凝膠對多種重金屬離子的電吸附效果，橫 坐標(biāo)為不同的重金屬離子，縱坐標(biāo)為重金屬離子去除率；
[0016] 圖3為實(shí)施例=中氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數(shù)的變 化。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，W下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是 對本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[001引在本發(fā)明詳細(xì)敘述和實(shí)施例子中所示的重金屬離子帥2+細(xì)2+、化 2義加2+)去除率 是按下述方法測定的：
式中，％R、C0、Ce分別表示各重金屬離子的去除 率、初始濃度、平衡濃度。
[0019] 實(shí)施例一；
[0020] 制備氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極包括W下幾個步驟：
[0021] (1)將0.15g的氧化石墨締(GO)超聲分散在IOOmL蒸饋水中，再加入0.45旨的心半脫 氨酸，機(jī)械攬拌使其充分混合，然后將混合液在95°C的條件下進(jìn)行水浴加熱化。反應(yīng)結(jié)束 后，將生成的產(chǎn)物沉浸于蒸饋水中2~3天，最后樣品在-52°C冷凍干燥2地，得氮硫共滲雜石 墨締氣凝膠。
[0022] (2)將90mg步驟(1)制得的氮硫共滲雜石墨締氣凝膠材料加入2mL 4wt%的聚乙締 醇溶液，超聲使復(fù)合材料在溶液里分散均勻。取0.16mL上述分散液均勻涂抹于35mm X 8mm的 硬紙片(厚400WI1)上，于-52°C冷凍干燥干燥12h，制成氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極。
[0023] 實(shí)施例二：
[0024] 氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。
[0025] 將制備的氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極分別用于饑(N〇3)2、CdS化、HgS化和化S化 溶液的電化學(xué)處理，施加電壓為-0.3V，處理時間為2min，化 2+、Cd2+、Hgh及Cu2+的去除率見圖 2,可見氮硫共滲雜石墨締氣凝膠材料對重金屬離子化的吸附效果最好。
[0026] 實(shí)施例S:
[0027] 氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。
[0028] 對氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗(yàn)。W對化h的電吸附為例， 對氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗(yàn)。將氮硫共滲雜石墨締氣凝膠紙電 極置于SOmL濃度為1mmol/L的CuS〇4溶液中，施加電位-0.3V，并記錄溶液電導(dǎo)率，2min后再 次記錄溶液的電導(dǎo)率，計算去除率。隨后撤去電位讓其脫附，連續(xù)循環(huán)多次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。首次吸附化h去除率為65%，在經(jīng)過100次的循環(huán)使用后電極對Cu 2+去除率為62%。說 明該材料具有極高的再生性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除，其特征 在于:步驟如下： a、 制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠：將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10~ 30min使其分散均勻。待其分散均勻后加入L-半胱氨酸，攪拌使其分散均勻。然后將混合液 在95°C的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2~3天，然后 冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料； b、 制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極:將步驟a制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠與 預(yù)先配制的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均勻涂抹于 硬紙片上，冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極； c、 電化學(xué)法去除水中重金屬離子:配制重金屬離子溶液，量取重金屬離子溶液置于電 吸附容器中，將步驟b中制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極對多種重金屬離子分別進(jìn) 行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附重金屬離子實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為 對電極，甘汞電極為參比電極。同時使用電導(dǎo)率儀實(shí)時監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保 持不變時，即紙電極吸附達(dá)到平衡； d、 脫附再生使用后的電極:對于達(dá)到吸附飽和的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極，撤 去電極上的電壓后，溶液的電導(dǎo)率恢復(fù)至接近初始值，實(shí)現(xiàn)電極的脫附再生。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的 電吸附去除，其特征是:所述步驟a中L-半胱氨酸與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為 95°(：，反應(yīng)時間為2~411。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的 電吸附去除，其特征是:所述步驟c中電吸附水中的多種重金屬離子分別為Pb 2+、Cd2+、Hg2+及 Cu2+〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對多種重金屬離子的電吸附去除，包括以下步驟：制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極、在三電極體系下通過紙電極對多種重金屬離子進(jìn)行電吸附。本發(fā)明的有益效果是：氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無污染，以這些材料修飾的電極對于水中重金屬離子的吸附效率高、速度快、操作簡便，并對多種重金屬離子的電吸附效果進(jìn)行了比較。
【IPC分類】C02F101/22, C02F1/469, C01B31/04, C02F101/20
【公開號】CN105668724
【申請?zhí)枴緾N201610159049
【發(fā)明人】孔泳, 徐斕, 魏永
【申請人】常州大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年3月18日