一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法與流程

2023-04-23 02:51:56

本發明涉及吸附劑技術領域，具體涉及一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法。

背景技術：

重金屬離子廢水是當今世界三大水環境汙染方式之一，這些重金屬離子廢水進入環境後不能被生物降解，在水體中積累到一定限度就會對水體-水生植物-水生動物系統產生嚴重危害，並能通過食物鏈影響到人類自身的健康。現行的重金屬處理方法主要包括化學沉澱、溶劑萃取、離子交換、膜分離、活性碳和矽膠吸附等方法，其中化學沉澱法應用最為廣泛，但是對於低濃度廢水，採用化學沉澱法存在投資大、運行成本高和易產生二次汙染的問題。而吸附法因其材料便宜易得、成本低和去除效果好而成為研究重點，國內外目前最常用的吸附劑是活性炭，但是活性炭存在著成本高、吸附易於飽和及再生困難的問題，因此尋找活性炭的替代產品已受到本領域的關注。

凹凸棒土作為一種天然材料，具有特殊的纖維結構和晶體結構，使之具有許多特殊的物化及工藝性能，有「千土之王」和「萬用之土」之美譽。由於凹凸棒土具有較大的比表面積，使其具有較強的吸附作用，因此將凹凸棒土應用於廢水處理受到多越來越多人的關注。

申請號為201410288153.0的中國發明專利公開了一種顆粒凹凸棒土吸附劑及其製備方法。其技術方案是：將水與凹凸棒土粉末混合均勻，水與凹凸棒土粉末的質量比1：0.5～1，製得泥狀凹凸棒土；再將製得的泥狀凹凸棒土在90～110℃條件下乾燥8～16h，破碎至粒徑為0.45～1.25mm的顆粒凹凸棒土；然後將製得的顆粒凹凸棒土置於馬弗爐中，在650～750℃條件下煅燒2～3h，製得顆粒凹凸棒土吸附劑。所述方法雖然不產生二次汙染，所製備的顆粒凹凸棒土吸附劑具有粒徑大、易沉降、易回收和吸附性能良好的特點，但是所述製備工藝耗時長、條件苛刻，具有較高的製作成本，不適合推廣應用。

因此，研究開發一種既具有較好的吸附沉降效果，又具有反應條件溫和的凹凸棒土吸附劑成為目前研究的重點，也具有較好的應用前景及使用價值。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法，所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑具有較好的吸附沉降效能，能夠有效去除廢水中的重金屬離子及染料色素，為廢水的安全排放提供了保障，具有較好的應用價值。此外，所述製備方法簡單、條件溫和、耗時短，適合工業生產。

本發明解決技術問題採用如下技術方案：

本發明涉及一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，包括如下重量份數的各組分：改性凹凸棒石粘土20~40份、石墨烯10~20份，還包括適量的溶劑。

優選地，所述改性凹凸棒石粘土為酸改性後的凹凸棒石粘土。

優選地，所述溶劑包括甲醇和水。

本發明還涉及一種製備石墨烯改性凹凸棒土吸附劑的方法，包括如下步驟：

（1）凹凸棒石粘土的預處理：將天然凹凸棒石粘土進行粉碎至100~200目，加水，攪拌形成懸浮泥漿，再通過超聲充分分散後，取上層懸濁液，然後將懸濁液於離心機中離心處理，真空抽濾得到凹凸棒石粘土一；

（2）將凹凸棒石粘土一置於燒杯中，加入甲醇，於超聲波條件下超聲10~20min，真空抽濾，乾燥得到凹凸棒石粘土二；

（3）將凹凸棒石粘土二置於燒瓶中，加入2mol/l的稀鹽酸，於超聲波條件下超聲10~20min，真空抽濾，並用蒸餾水清洗，然後於真空乾燥箱中乾燥，研磨至100~200目，即得改性後的凹凸棒石粘土；

（4）按照配比將改性後的凹凸棒石粘土和石墨烯加入到錐形瓶中，加水，攪拌均勻，然後置於超聲波條件下超聲30~50min，真空抽濾，然後置於真空乾燥箱中乾燥，研磨至粒徑為100~200目，即得所述石墨烯改性凹凸棒石吸附劑。

優選地，所述步驟（1）中加水的重量為凹凸棒石粘土重量的3~8倍。

優選地，所述步驟（1）中離心轉速3000轉/min，離心時間為5~10min。

優選地，所述步驟（2）中甲醇的加入體積與凹凸棒石粘土質量比為50ml：5~10g。

優選地，所述步驟（3）中稀鹽酸的加入體積量：凹凸棒質量為1ml：2g~5g。

優選地，所述步驟（3）中的蒸餾水清洗方法包括：將抽濾後的凹凸棒石粘土加入燒杯中，加入蒸餾水，置於超聲波條件下超聲5min，重複2次操作。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

（1）本發明製備得到的石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，具有較好的吸附沉降效能，能夠有效去除廢水中的重金屬離子及染料色素，為廢水的安全排放提供了保障，避免由於廢水處理不達標導致的環境汙染，同時降低了廢水處理的成本，具有較好的應用價值。此外，所述製備方法簡單、條件溫和、耗時短，適合工業生產。

（2）本發明採用凹凸棒石粘土為吸附載體，由於凹凸棒石粘土具有較大的比表面積，使其具有較好的吸附脫色性能；採用石墨烯為改性劑，由於石墨烯獨特的層狀結構及較大的比表面積，大大增加了改性後的凹凸棒石粘土的吸附脫色能力。

（3）由於凹凸棒土儲量豐富，製作成本低廉；再加上凹凸棒土屬天然納米材料，綠色環保，不會給環境造成二次汙染，符合環境友好型產品的要求，具有較好的使用價值。

（4）本發明製備得到的石墨烯改性凹凸棒土吸附劑還具有可重複利用的特點，大大降低了吸附劑的使用成本，提高了原料利用率，適合工業化推廣，具有較好的實用意義。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。

實施例1：

本發明優選實施例的一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法；

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，包括如下重量份數的各組分：改性凹凸棒石粘土30份、石墨烯15份，還包括適量的溶劑。其中，所述改性凹凸棒石粘土為酸改性後的凹凸棒石粘土，所述溶劑包括甲醇和水。

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑的製備方法，包括如下步驟：

（1）凹凸棒石粘土的預處理：將天然凹凸棒石粘土進行粉碎至200目，加入凹凸棒石粘土重量的5倍量的水，攪拌形成懸浮泥漿，再通過超聲充分分散後，取上層懸濁液，然後將懸濁液於離心機中離心處理，真空抽濾得到凹凸棒石粘土一，其中離心轉速3000轉/min，離心時間為10min；

（2）將凹凸棒石粘土一置於燒杯中，加入甲醇，於超聲波條件下超聲15min，真空抽濾，乾燥得到凹凸棒石粘土二，其中，甲醇的加入體積與凹凸棒石粘土質量比為50ml：8g；

（3）將凹凸棒石粘土二置於燒瓶中，加入2mol/l的稀鹽酸，於超聲波條件下超聲15min，真空抽濾，並用蒸餾水清洗，然後於真空乾燥箱中乾燥，研磨至200目，即得改性後的凹凸棒石粘土，其中，稀鹽酸的加入體積量：凹凸棒質量為1ml：3g；

（4）按照配比將改性後的凹凸棒石粘土和石墨烯加入到錐形瓶中，加水，攪拌均勻，然後置於超聲波條件下超聲40min，真空抽濾，然後置於真空乾燥箱中乾燥，研磨至粒徑為200目，即得所述石墨烯改性凹凸棒石吸附劑。

步驟（3）中的蒸餾水清洗方法包括：將抽濾後的凹凸棒石粘土加入燒杯中，加入蒸餾水，置於超聲波條件下超聲5min，重複2次操作。

實施例2：

本發明優選實施例的一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法；

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，包括如下重量份數的各組分：改性凹凸棒石粘土20份、石墨烯10份，還包括適量的溶劑。其中，所述改性凹凸棒石粘土為酸改性後的凹凸棒石粘土，所述溶劑包括甲醇和水。

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑的製備方法，包括如下步驟：

（1）凹凸棒石粘土的預處理：將天然凹凸棒石粘土進行粉碎至100目，加入凹凸棒石粘土重量的3倍量的水，攪拌形成懸浮泥漿，再通過超聲充分分散後，取上層懸濁液，然後將懸濁液於離心機中離心處理，真空抽濾得到凹凸棒石粘土一，其中離心轉速3000轉/min，離心時間為5min；

（2）將凹凸棒石粘土一置於燒杯中，加入甲醇，於超聲波條件下超聲10min，真空抽濾，乾燥得到凹凸棒石粘土二，其中，甲醇的加入體積與凹凸棒石粘土質量比為50ml：10g；

（3）將凹凸棒石粘土二置於燒瓶中，加入2mol/l的稀鹽酸，於超聲波條件下超聲10min，真空抽濾，並用蒸餾水清洗，然後於真空乾燥箱中乾燥，研磨至100目，即得改性後的凹凸棒石粘土，其中，稀鹽酸的加入體積量：凹凸棒質量為1ml：5g；

（4）按照配比將改性後的凹凸棒石粘土和石墨烯加入到錐形瓶中，加水，攪拌均勻，然後置於超聲波條件下超聲30min，真空抽濾，然後置於真空乾燥箱中乾燥，研磨至粒徑為100目，即得所述石墨烯改性凹凸棒石吸附劑。

步驟（3）中的蒸餾水清洗方法包括：將抽濾後的凹凸棒石粘土加入燒杯中，加入蒸餾水，置於超聲波條件下超聲5min，重複2次操作。

實施例3：

本發明優選實施例的一種石墨烯改性凹凸棒土吸附劑及製備方法；

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，包括如下重量份數的各組分：改性凹凸棒石粘土40份、石墨烯20份，還包括適量的溶劑。其中，所述改性凹凸棒石粘土為酸改性後的凹凸棒石粘土，所述溶劑包括甲醇和水。

所述石墨烯改性凹凸棒土吸附劑的製備方法，包括如下步驟：

（1）凹凸棒石粘土的預處理：將天然凹凸棒石粘土進行粉碎至200目，加入凹凸棒石粘土重量的8倍量的水，攪拌形成懸浮泥漿，再通過超聲充分分散後，取上層懸濁液，然後將懸濁液於離心機中離心處理，真空抽濾得到凹凸棒石粘土一，其中離心轉速3000轉/min，離心時間為10min；

（2）將凹凸棒石粘土一置於燒杯中，加入甲醇，於超聲波條件下超聲20min，真空抽濾，乾燥得到凹凸棒石粘土二，其中，甲醇的加入體積與凹凸棒石粘土質量比為50ml：5g；

（3）將凹凸棒石粘土二置於燒瓶中，加入2mol/l的稀鹽酸，於超聲波條件下超聲20min，真空抽濾，並用蒸餾水清洗，然後於真空乾燥箱中乾燥，研磨至200目，即得改性後的凹凸棒石粘土，其中，稀鹽酸的加入體積量：凹凸棒質量為1ml：2g；

（4）按照配比將改性後的凹凸棒石粘土和石墨烯加入到錐形瓶中，加水，攪拌均勻，然後置於超聲波條件下超聲50min，真空抽濾，然後置於真空乾燥箱中乾燥，研磨至粒徑為200目，即得所述石墨烯改性凹凸棒石吸附劑。

步驟（3）中的蒸餾水清洗方法包括：將抽濾後的凹凸棒石粘土加入燒杯中，加入蒸餾水，置於超聲波條件下超聲5min，重複2次操作。

石墨烯改性凹凸棒土吸附劑應用於廢水的處理，步驟如下：

分別取製備得到的石墨烯改性凹凸棒土吸附劑加入到500ml廢水中，其中，廢水中含pb2+，cu2+，cd2+離子，其中各離子的濃度為20mg/l，加入石墨烯改性凹凸棒土吸附劑，於250轉/min的轉速條件下，吸附時間2h後各金屬的去除率與吸附劑的加入量的關係結果見下表：

綜上所述，本發明製備得到的凹凸棒土吸附劑具有較好的吸附沉降效能，能夠有效去除廢水中的重金屬離子及染料色素，為廢水的安全排放提供了保障，避免由於廢水處理不達標導致的環境汙染，同時降低了廢水處理的成本，具有較好的應用價值。此外，所述製備方法簡單、條件溫和、耗時短，適合工業生產。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。