石墨烯修飾的生物炭復合材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料和環(huán)境領域，具體涉及到一種石墨稀修飾的生物炭復合材料及其制備方法，還涉及石墨稀修飾的生物炭復合材料處理水體中Pb2+的應用。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)領域化學試劑的大量使用，使我國大部分地表水和地下水受到了不同程度的污染，其污染物包括重金屬和有機物等。如果受污染的水體不加處理或處理不當，就會對公共健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害。比如:重金屬Pb'不僅能夠廣泛存在于土壤中和地表水的水體中，還能夠在地下水中循環(huán)?？梢砸鹉I臟，中樞神經(jīng)，生殖系統(tǒng)，肝臟和生殖系統(tǒng)的嚴重損害。
[0003]目前處理污染水體的方法主要有過濾，生物吸附，化學沉淀法，電沉積，膜系統(tǒng)，離子交換等。與其他方法相比，吸附法因其操作方便、吸附劑的種類多樣、運行成本低、效率高、設計靈活、容易再生、處理的廢水適于回收利用等優(yōu)勢而成為一個應用廣泛且高效的處理方法。目前，能吸附重金屬和有機物的復合材料已引起了廣泛的研究興趣。近幾年來，在用吸附法治理環(huán)境領域中新興起的技術包括用生物炭和生物炭復合材料水體中的污染物。在此，生物炭是一種可以廣泛應用的工程碳，它可以由各種各樣的生物質(zhì)材料在無氧的條件下熱解得到。像活性炭一樣，生物炭可以廣泛應用于廢水的處理主要是因為它具有較大的比表面積和比較密集穩(wěn)定的孔徑結(jié)構。用現(xiàn)有生物炭技術和新興的生物，納米技術相結(jié)合來創(chuàng)造環(huán)境友好型，經(jīng)濟適用型的新型復合材料，近年來備受關注。以前的研究中已經(jīng)有厭氧顆粒污泥，納米零價鐵，磁性氧化鐵，碳納米管，A100H，粘土，鎂，氧化鎂納米片，MnOJP生物炭的復合物，這些復合材料都具有良好的物理性能，并且可以高效去除水體中各種污染物。
[0004]石墨烯的物理化學結(jié)構與富勒烯非常相似，但石墨烯具有價格低和普遍適用性的特點，并且可以作為“涂層劑和包裝劑”來合成新型雜種納米復合材料，其合成的復合材料能高效去除有機或無機污染物。因此，石墨烯能夠廣泛用于環(huán)境治理。以前的研究中已經(jīng)成功合成石墨烯包裹二氧化鈦，石墨烯修飾碳納米管復合材料，磁性石墨烯復合材料等用于芳香族化合物和重金屬的去除。Zhang通過1，3，6，8-花四磺酸四鈉鹽合成了石墨稀-生物炭復合材料，并且能夠高效的從廢水中去除亞甲基藍，但是其合成的復合材料的尺寸比較大，并不能形成納米級的合成材料，同時沒有系統(tǒng)的研究對亞甲基藍去除的影響，特別是沒有研究用這種復合材料去除污染水體中重金屬的過程。
[0005]雖然生物炭復合材料在環(huán)境領域應用已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是較系統(tǒng)的研究生物炭復合材料在環(huán)境中的應用還處于起步階段，特別是工程復合生物炭的制備和應用，幾乎還沒有得到應有的廣泛研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種吸附容量大，吸附效率高、具有工程應用價值的石墨烯修飾的生物炭復合材料，還提供了一種石墨烯修飾的生物炭復合材料的簡單制備方法，同時提供了石墨烯修飾的生物炭復合材料去除水體中Pb2+的研究和應用。
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0008]—種石墨稀修飾的生物炭復合材料，所述石墨稀修飾的生物炭復合材料包括石墨稀，十二燒基苯磺酸鈉和生物炭，所述石墨稀通過十二燒基苯磺酸鈉負載在生物炭上形成網(wǎng)狀支架結(jié)構。
[0009]作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供了一種上述的石墨烯修飾的生物炭復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0010](I)將石墨烯加入十二烷基苯磺酸鈉溶液中，超聲溶解，使石墨烯最終剝落成石墨烯片層，得到石墨烯懸浮液；
[0011](2)將樟木鋸肩加入到所述步驟(I)制備得到的石墨烯懸浮溶液中，攪拌、干燥得到混合物；
[0012](3)將所述步驟(2)中制備的混合物進行熱解得到石墨烯修飾的生物炭復合材料。
[0013]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(I)中所述十二烷基苯磺酸鈉溶液中十二烷基苯磺酸鈉的濃度為0.1?0.8g/L。進一步優(yōu)選的，十二烷基苯磺酸鈉溶液中十二烷基苯磺酸鈉的濃度為0.4g/L。
[0014]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(I)中所述石墨烯懸浮液中石墨烯的濃度為0.0lg/1OOmL?0.08g/100mL。進一步優(yōu)選的，所述石墨稀懸浮液中石墨稀的濃度為
0.02g/100mL。
[0015]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述樟木鋸肩與石墨烯的質(zhì)量比為2.0: 0.01?0.08。進一步的優(yōu)選的，所述樟木鋸肩與石墨烯的質(zhì)量比為2.0: 0.02。
[0016]上述的制備方法，優(yōu)選的，樟木鋸肩采用經(jīng)80°C干燥后的樟木鋸肩，樟木鋸肩的粒徑為 0.15mm ?0.25mm。
[0017]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述攪拌的時間為0.5?lh。進一步優(yōu)選的，攪拌的時間為Iho
[0018]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述干燥的溫度為70?90°C。進一步優(yōu)選的，干燥的溫度為80°C。
[0019]上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，所述熱解具體為:在氮氣氛圍下，以600 ?650°C熱解 Ih0
[0020]上述的制備方法，優(yōu)選的，熱解過程中升溫速率為5?8°C /min。
[0021]作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供了一種上述的石墨烯修飾的生物炭復合材料或上述制備方法制備得到的石墨烯修飾的生物炭復合材料在處理水體中Pb2+的應用，其應用方法為:將石墨烯修飾的生物炭復合材料加入水體中，攪拌，用濾膜過濾，完成水體中Pb2+的處理。
[0022]上述的應用，優(yōu)選的，所述石墨烯修飾的生物炭復合材料的用量為水體中Pb2+含量的25?30倍。
[0023]上述的應用，優(yōu)選的，所述攪拌時間為2h?8h。進一步優(yōu)選的，攪拌時間為5h。
[0024]上述的應用，優(yōu)選的，所述水體中Pb2+的濃度為I?60mg/L。進一步的優(yōu)選的，Pb2+的濃度為I?20mg/L。
[0025]上述的應用，優(yōu)選的，水體的pH為2?8。
[0026]作為一個總的技術構思，本發(fā)明還提供了一種上述的石墨烯修飾的生物炭復合材料或上述制備方法制備得到的石墨烯修飾的生物炭復合材料在處理水體中Pb2+的應用，其應用方法為:將石墨烯修飾的生物炭復合材料放入柱狀固定吸附系統(tǒng)中，水體流過固定吸附系統(tǒng)，完成水體中Pb2+的處理。
[0027]上述的應用，優(yōu)選的，所述水體中Pb2+的濃度為I?20mg/L。
[0028]上述的應用，優(yōu)選的，所述柱狀固定吸附系統(tǒng)中吸附層的厚度為2mm?4mm。更優(yōu)選的吸附層厚度為4mm。
[0029]上述的應用，優(yōu)選的，水體的流動速率為lmL/min?5mL/min。更優(yōu)選的流動速率為 3mL/min。
[0030]上述的應用，優(yōu)選的，柱狀固定吸附系統(tǒng)的基本構造為20cmX2cm的玻璃柱。
[0031]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0032](I)本發(fā)明提供了一種石墨烯修飾的生物炭復合材料，將石墨烯負載在生物炭上(石墨烯的片層間距為0.378nm)，增加了材料的比表面積，加上十二烷基苯磺酸鈉的膠黏作用，使石墨稀焊接固定在生物炭表面上，復合材料的尺寸分布在200?2000nm，形成一個支架結(jié)構，不易團聚。在石墨烯修飾的生物炭復合材料中，石墨烯的作用主要為負載在生物炭的表面，修飾生物炭，減少生物炭之間的范德華力和J1-JT鍵之間的作用，共同形成一種網(wǎng)狀支架結(jié)構，使生物炭不易團聚，提高生物炭對Pb2+的吸附容量，同時石墨烯自身也具有吸附Pb2+的作用，具有吸附容量大、吸附效率高等優(yōu)勢。
[0033](2)本發(fā)明提供了一種石墨烯修飾的生物炭復合材料的制備方法，制備過程簡單、合成方法簡單，材料易得，能夠大規(guī)模生產(chǎn)和應用。
[0034](3)本發(fā)明采用石墨烯修飾的生物炭復合材料處理水體中Pb'具有處理方法簡單，成本低，材料易得，吸附容量大等優(yōu)點，能高效去除污染水體中的Pb'降低其對環(huán)境中生物的毒性，可作為工程碳材料處理受污染的水體。
【附圖說明】
[0035]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。
[0036]圖1為本發(fā)明對比例I中的未被處理的生物炭的SEM圖。
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