一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對鋅離子的電吸附去除的製作方法

2023-10-09 06:11:34

本發明涉及一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對鋅離子的電吸附去除，屬於廢水處理和材料合成領域。

技術背景

目前,水體中的重金屬汙染日益受到人們的共同關注,這也成為國內外水環境汙染治理的研究難題和焦點。水體中的重金屬離子可以在水生生物中富集,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沉澱法、氧化法、還原法、蒸發濃縮法、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、處理費用昂貴、易造成二次汙染等缺點。電吸附法是近60年來發展起來的新型水處理技術,具有能耗低、對環境無二次汙染等優點,在水處理的領域有很大的應用潛力和廣泛的應用前景。

用於電吸附的材料有活性碳、碳納米管等含碳材料。石墨烯是一種由碳原子以sp2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。石墨烯因其擁有較大的比表面積、載流子遷移率高、機械靈活性優異且良好的熱/化學穩定性等眾多獨特的性能，從而受到了廣泛的關注，並應用於很多研究領域，像光子器件、環境修復、生物技術、催化劑、新能源電池領域等。但是，在製備石墨烯的過程中，由於石墨烯中存在的π-π鍵和範德華力可能會導致它發生不可逆的聚集或者重新堆疊成石墨結構，這會影響了石墨烯的性能。而3D石墨烯就能有效地防止這一現象的發生。並且這一新型材料—石墨烯水凝膠/氣凝膠，具有更大的比表面積，同時質量輕、機械性能好、電子轉移率高。

在電吸附材料中摻雜其他的雜原子如氮、硫、磷、硼等可以有效的增加重金屬離子的吸附率，這歸因於雜原子和重金屬離子之間的螯合作用。因此，本發明利用石墨烯氣凝膠的大比表面積以及高的電子轉移率用於去除廢水中的重金屬離子，在氣凝膠中摻雜氮、硫原子， 製備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠，同時對重金屬離子的電吸附效果進行了研究。

技術實現要素：

本發明的目的是在於將材料氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠應用於一個新的領域—電吸附水中重金屬離子中。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠製成吸附電極後能有效的吸附水中的重金屬離子。

本發明涉及一步法合成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠及其對鋅離子的電吸附去除，包括以下步驟：

a、製備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠：將氧化石墨烯超聲分散於去離子水中，超聲10～30min使其分散均勻。待其分散均勻後加入L-半胱氨酸，攪拌使其分散均勻。然後將混合液在95℃的條件下進行水浴加熱2h。反應結束後，將反應產物置於蒸餾水中沉浸2～3天，然後冷凍乾燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料；

b、製備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極：將步驟a製得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠與預先配製的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1～0.4mL的分散液均勻塗抹於硬紙片上，冷凍乾燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極；

c、電化學法去除水中重金屬離子：配製重金屬離子溶液，量取重金屬離子溶液置於電吸附容器中，將步驟b中製得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極對重金屬離子進行電吸附實驗。電吸附重金屬離子實驗採用三電極體系，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。同時使用電導率儀實時監測溶液電導率的變化，當電導率保持不變時，即各紙電極吸附達到平衡。

進一步，步驟a中L-半胱氨酸與氧化石墨烯的質量比為3:1，反應溫度為95℃，反應時間為2～4h。

進一步，步驟c中電吸附水中的重金屬離子為Zn2+。

本發明的有益效果是：氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的製備方法簡便易行，製備過程環保無 汙染，以這些材料修飾的電極對於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以往材料相比也有了大幅的提升。

附圖說明

下面結合附圖對本發明進一步說明。

圖1為實施例一中製備的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖)；

圖2為實施例二中溶液Zn2+初始濃度對Zn2+去除率的影響；

圖3為實施例三中氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數的變化。

具體實施方式

現在結合具體實施例對本發明做進一步說明，以下實施例旨在說明本發明而不是對本發明的進一步限定。

在本發明詳細敘述和實施例子中所示的重金屬離子去除率是按下述方法測定的：式中，％R、C0、Ce分別表示Zn2+的去除率、初始濃度、平衡濃度。

實施例一：

製備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極包括以下幾個步驟：

(1)將0.15g的氧化石墨烯(GO)超聲分散在100mL蒸餾水中，再加入0.45g的L-半胱氨酸，機械攪拌使其充分混合，然後將混合液在95℃的條件下進行水浴加熱2h。反應結束後，將生成的產物沉浸於蒸餾水中2～3天，最後樣品在-52℃冷凍乾燥24h，得氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠。

(2)將90mg步驟(1)製得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料加入2mL 4wt％的聚乙烯醇 溶液，超聲使複合材料在溶液裡分散均勻。取0.16mL上述分散液均勻塗抹於35mm×8mm的硬紙片(厚400μm)上，於-52℃冷凍乾燥乾燥12h，製成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極。

實施例二：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的製備過程與實施例一相同。

將製備的摻氮石墨烯氣凝膠紙電極分別用於0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的ZnSO4溶液的電化學處理，施加電壓為0.3V，處理時間為2min，Zn2+的去除率見圖2，可見摻氮石墨烯氣凝膠材料對低濃度的Zn2+溶液有較好的吸附效果。

實施例三：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的製備過程與實施例一相同。

對氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極進行循環電吸附試驗。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極置於80mL濃度為1mmol/L的ZnSO4溶液中，施加電位-0.3V，並記錄溶液電導率，2min後再次記錄溶液的電導率，計算去除率。隨後撤去電位讓其脫附，連續循環多次。實驗結果如圖3所示。首次吸附Zn2+去除率為65％，在經過100次的循環使用後電極對Zn2+去除率為62％。說明該材料具有極高的再生性能。