一種磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法與應用的製作方法

2023-04-26 23:24:06 1

一種磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法與應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法與應用，首先將鐵氧體納米粒子負載在氧化石墨烯納米片上製備磁性氧化石墨烯，再將二乙烯三胺嫁接在磁性氧化石墨烯表面製備磁性氨基化氧化石墨烯，製備的磁性氨基化氧化石墨烯易於固液分離和再利用。本發明製備的磁性氨基化氧化石墨烯能有效去除水中的二價銅離子，溶液的pH值和背景電解質會對磁性氨基化氧化石墨烯的吸附性能產生影響。本發明可用於電鍍廠、冶煉廠、電子廠等排放的含銅廢水的處理。
【專利說明】一種磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法與應用

【技術領域】
[0001] 本發明屬於環境功能材料和水處理新【技術領域】，具體涉及一種磁性氨基化氧化石 墨烯的製備方法與應用。

【背景技術】
[0002] 目前，我國重金屬汙染較嚴重，汙染嚴重的省份，已影響到農產品和飲用水安全， 特別嚴重的地區，已將基本農田改為城市建設用地。如何處理重金屬廢水，已成為環境科學 與工程領域研究的熱點和難點，也是解決我國重金屬汙染的關鍵。吸附法與其它方法相比， 具有操作簡便、處理時間短、成本低、效果好等優點，但不同吸附材料對吸附效果影響較大。 研發廉價高效的吸附材料，優化吸附過程的環境條件，探索影響吸附過程的機理和金屬離 子回用的途徑，提高重金屬離子吸附效果，是利用吸附法成功處理重金屬廢水和重金屬資 源化的關鍵。
[0003] 氧化石墨烯具有二維碳片層結構，表面積大，含有羥基、羰基、羧基、環氧基等活性 含氧官能團，且這些基團對重金屬離子有很強的螯合作用。在此基礎上，研究氧化石墨烯二 維碳片層結構上的基團改性，對提高重金屬離子吸附效果、選擇性識別能力和回收廢水中 的重金屬具有重要意義。將磁性納米離子負載在氧化石墨烯表面上，賦予氧化石墨烯磁性， 有利於固液分離。二乙烯三胺分子含有三個氨基，而氨基對重金屬離子有較強的螯合作用。 因此，將二乙烯三胺分子嫁接到磁性氧化石墨烯表面能增加吸附效率。此外，吸附材料投加 量、吸附時間、廢水成分、溫度、pH值等環境條件，以及廢水中背景電解質對吸附過程有較大 影響。研究環境條件和重金屬廢水中背景電解質對吸附效果影響，對闡明重金屬離子吸附 與資源化機理具有重要作用。


【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術存在的技術問題，開發一種工藝簡 單和製備快速的磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法；還提供一種上述磁性氨基化氧化石墨 烯應用於去除水中重金屬離子的方法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明提供磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法，首先將鐵 氧體納米粒子負載在氧化石墨烯納米片上製備磁性氧化石墨烯，再將二乙烯三胺嫁接在磁 性氧化石墨烯表面製備磁性氨基化氧化石墨烯，製備的磁性氨基化氧化石墨烯易於固液分 離和再利用，具體步驟如下：
[0006] (1)將石墨粉、K2S208和P 205加入到10?50mL濃硫酸中在50?100°C下反應2? 8小時，所述石墨粉、K 2S208與P205的質量比為1 : (0. 5?2) : (0. 5?2)，所述濃硫酸的質量 濃度為90?98 %，然後冷卻至20?40°C，加入800?1200mL超純水，放置8?12小時， 將產物洗滌至中性後在40?80°C下乾燥後得到預氧化石墨；
[0007] (2)將步驟（1)得到的預氧化石墨加入到200?300mL濃硫酸中，再加入NaN03和 ΚΜη04，所述濃硫酸的質量濃度為90?98%，所述預氧化石墨、NaN03與ΚΜη0 4的質量比為1 : (0· 5?2) : (10?50)，在0?5°C下反應2?6小時，升溫到30?40°C下反應1?4小時， 加入200?800mL超純水，在80?KKTC條件下反應1?6小時，然後加入800?1200mL 超純水和20?60mL H202，所述H202質量濃度為20?30%，繼續反應1?6小時，將得到的 產物用質量濃度為5?15%的HC1溶液洗滌，用大量水洗滌至中性，並在30?60°C下超聲 分散1?4小時得到濃度為1?10mg/mL的氧化石墨烯水溶液；
[0008] (3)在室溫下，將摩爾比為（1?3) : 1的Fe3+和Fe2+溶解於去氧超純水中，將得 到的鐵離子和亞鐵離子混合溶液加入步驟（2)所述的氧化石墨烯溶液中，在溫度為70? 95 °C水浴鍋中迅速攪拌1?4分鐘，然後迅速加入300?600mL氨水調pH至9?11，繼續 攪拌0. 5?2小時，將得到的混合液冷卻，分離沉澱物並洗滌、定容，得到濃度為1?20mg/ mL的磁性氧化石墨烯懸液；
[0009] (4)將1?20mL氨水加入到500?2000mL步驟（3)所述的磁性氧化石墨烯懸液 中，室溫下攪拌1?10分鐘，然後迅速加入20?60mL二乙烯三胺，在室溫下攪拌5?20 分鐘後升溫到60?100°C，繼續反應2?10小時，將得到的產物用大量水和乙醇清洗至中 性，定容後得到濃度為1?10mg/mL的磁性氨基化氧化石墨烯。
[0010] 本發明還提供一種上述的磁性氨基化氧化石墨烯應用於去除水中重金屬離子的 方法，所述方法包括以下步驟：取一定量的二價銅廢水，然後加入背景電解質NaCl、Na2S04、 Na2HP04，所述NaCl、Na2S04、Na 2HP04的摩爾濃度為0. 0001?0. lmol/L，並調節pH值為1? 12,將一定量的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水中，每升廢水中的添加量以磁性氨基化 氧化石墨烯重量計為0. 05?0. 5g，在轉速為50?300rpm的恆溫水浴振蕩器中反應0? 48小時，並控制反應溫度為10?50°C，反應完成後用磁鐵將磁性氨基化氧化石墨烯與溶液 分離，完成對廢水中二價銅的去除。
[0011] 與現有技術相比，本發明的優點在於：
[0012] 1.本發明的磁性氨基化氧化石墨烯製備過程中使用的原料來源廣泛，且價格低 廉，主要原料均是常用的化工產品。
[0013] 2.本發明的方法製備的產品無毒，對環境友好。
[0014] 3.本發明的磁性氨基化氧化石墨烯的製備工藝簡單、操作方便，易於實現工業化 生產。
[0015] 4.本發明的磁性氨基化氧化石墨烯對水中重金屬離子的吸附效率高，而且磁性氨 基化氧化石墨烯很容易與處理後的溶液分離，可以再利用。為廢水中重金屬汙染的治理和 重金屬資源化提供了新的途徑。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明實施例1的磁性氨基化氧化石墨烯的場發射掃描電子顯微鏡圖；
[0017] 圖2是本發明實施例1的磁性氨基化氧化石墨烯的Zeta電位圖；
[0018] 圖3為本發明實施例2、3、4和5的在沒有添加背景電解質和添加了不同的背景電 解質（NaCl、Na 2S04和Na2HP04)條件下磁性氨基化氧化石墨烯對銅離子的吸附量隨著pH值 的變化曲線圖。

【具體實施方式】
[0019] 以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0020] 實施例1 :
[0021] 一種本發明所述的磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法：
[0022] 將6g石墨粉、5gK2S2〇dP5gP20 5加入到24mL質量濃度為98%的濃硫酸中，在80°C 下反應4. 5小時，冷卻至室溫後加入1000mL超純水，放置12小時後將得到的產物洗滌至中 性後在60°C下乾燥得到預氧化石墨烯；將得到的預氧化石墨加入到240mL質量濃度為98% 的濃硫酸中，再加入5g NaN03和30g ΚΜη04，在0°C下反應4小時，升溫到35°C下反應2小時， 加入500mL超純水，在98°C條件下反應1小時，然後在室溫下加入1000mL超純水和40mL濃 H202，繼續反應2小時，將得到的產物用質量濃度為10%的HC1溶液洗漆，用大量水洗滌至 中性並加水定容，在50°C下超聲分散2小時得到質量濃度為5mg/mL的氧化石墨烯水溶液。
[0023] 在室溫下，將0. 05mol的FeCl3 ·6Η20和0. 025mol的FeCl2 ·4Η20溶解於去氧超純 水中，將得到的鐵離子和亞鐵離子混合溶液加入500mL上述的氧化石墨烯溶液中，在溫度 為85°C水浴鍋中迅速攪拌2分鐘，然後迅速加入400mL氨水調pH至10左右，繼續攪拌45 分鐘，將得到的混合液冷卻，分離沉澱物並洗滌，定容，得到質量濃度為3mg/mL的磁性氧化 石墨烯懸液。
[0024] 將9mL氨水加入到1000mL步驟（3)所述的磁性氧化石墨烯懸液中，室溫下攪拌5 分鐘，然後迅速加入36mL二乙烯三胺，在室溫下攪拌10分鐘後升溫到95°C，繼續反應6小 時，將得到的產物用大量水和乙醇清洗至中性，定容後得到濃度為4. 8mg/mL的磁性氨基化 氧化石墨烯。
[0025] 上述製得的磁性氨基化氧化石墨烯外觀呈黑色，將其置於場發射掃描電子顯微鏡 下觀察，其結構如圖1所示，可以看出其表面分布大量磁性四氧化三鐵納米粒子。該吸附劑 在不同的pH條件下的Zeta電位如圖2所示，pH為5. 94時該吸附劑出現零點電位。在溶 液的pH小於5. 94時吸附劑表面帶正電荷，pH大於5. 94時吸附劑表面帶負電荷，對正價的 重金屬離子吸附有利。
[0026] 實施例2 :
[0027] 本發明的磁性氨基化氧化石墨烯用於去除水中重金屬離子，包括以下步驟：
[0028] 取九個體積為50mL，初始濃度為10mg/L的待處理銅廢水樣品，在2?11範圍內 用硝酸或氫氧化鈉調節pH值，將實施例1製得的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水樣品 中，每升廢水中的添加量以磁性氨基化氧化石墨烯重量計為96mg，將反應器置於轉速為 150rpm的恆溫水浴振蕩箱中，保持溫度為30°C，振蕩24小時後將磁性氨基化氧化石墨烯與 溶液分離，完成對二價銅廢水的處理。溶液中剩餘的二價銅離子的濃度使用火焰原子吸收 分光光度法進行測定，計算的吸附量結果見圖3。
[0029] 由圖3可知，磁性氨基化氧化石墨烯對二價銅離子的去除量隨著pH值的增加而增 大，當pH值大於8. 5時去除量達到平衡。
[0030] 實施例3 :
[0031] 本發明的磁性氨基化氧化石墨烯用於去除水中重金屬離子，包括以下步驟：
[0032] 取九個體積為50mL，初始濃度為10mg/L的待處理銅廢水樣品，然後加入摩爾濃度 為0. 01m〇l/L的背景電解質NaCl，在2?11範圍內用硝酸或氫氧化鈉調節pH值，將實施 例1製得的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水樣品中，每升廢水中的添加量以磁性氨基化 氧化石墨烯重量計為96mg，將反應器置於轉速為150rpm的恆溫水浴振蕩箱中，保持溫度 為30°C，振蕩反應24小時後將磁性氨基化氧化石墨烯與溶液分離，完成對二價銅廢水的處 理。溶液中剩餘的二價銅離子的濃度使用火焰原子吸收分光光度法進行測定，計算的吸附 量結果見圖3。
[0033] 由圖3可知，在pH值小於6. 5時，背景電解質NaCl的加入增強了磁性氨基化氧化 石墨烯對二價銅離子的吸附，在pH值大於6. 5時，背景電解質NaCl的加入對磁性氨基化氧 化石墨烯吸附二價銅離子的影響較小。
[0034] 實施例4 :
[0035] 本發明的磁性氨基化氧化石墨烯用於去除水中重金屬離子，包括以下步驟：
[0036] 取九個體積為50mL，初始濃度為10mg/L的待處理銅廢水樣品，然後加入摩爾濃度 為0.01m 〇l/L的背景電解質Na2S04，在2?11範圍內用硝酸或氫氧化鈉調節pH值，將實 施例1製得的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水樣品中，每升廢水中的添加量以磁性氨基 化氧化石墨烯重量計為96mg，將反應器置於轉速為150rpm的恆溫水浴振蕩箱中，保持溫度 為30°C，振蕩反應24小時後將磁性氨基化氧化石墨烯與溶液分離，完成對二價銅廢水的處 理。溶液中剩餘的二價銅離子的濃度使用火焰原子吸收分光光度法進行測定，計算的吸附 量結果見圖3。
[0037] 由圖3可知，背景電解質似4〇4的加入在2?11範圍內提高了磁性氨基化氧化石 墨烯對二價銅離子的吸附量。
[0038] 實施例5 :
[0039] 本發明的磁性氨基化氧化石墨烯用於去除水中重金屬離子，包括以下步驟：
[0040] 取九個體積為50mL，初始濃度為10mg/L的待處理銅廢水樣品，然後加入摩爾濃度 為0. 01m〇l/L的背景電解質Na2HP04，在2?11範圍內用硝酸或氫氧化鈉調節pH值，將實 施例1製得的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水樣品中，每升廢水中的添加量以磁性氨基 化氧化石墨烯重量計為96mg，將反應器置於轉速為150rpm的恆溫水浴振蕩箱中，保持溫度 為30°C，振蕩反應24小時後將磁性氨基化氧化石墨烯與溶液分離，完成對二價銅廢水的處 理。溶液中剩餘的二價銅離子的濃度使用火焰原子吸收分光光度法進行測定，計算的吸附 量結果見圖3。
[0041] 由圖3可知，背景電解質Na2HP04的加入在2?11範圍內都增加了磁性氨基化氧 化石墨烯對二價銅離子的吸附量，且背景電解質Na2HP04對磁性氨基化氧化石墨烯對二價 銅離子吸附的增強作用最大。
[〇〇42] 以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例， 與本發明構思無實質性差異的各種工藝方案均在本發明的保護範圍。
【權利要求】
1. 一種磁性氨基化氧化石墨烯的製備方法，首先將鐵氧體納米粒子負載在氧化石墨烯 納米片上製備磁性氧化石墨烯，再將二乙烯三胺嫁接在磁性氧化石墨烯表面製備磁性氨基 化氧化石墨烯，製備的磁性氨基化氧化石墨烯易於固液分離和再利用，具體步驟如下： (1) 將石墨粉、K2S208和P205加入到10?50mL濃硫酸中在50?100°C下反應2?8小 時，所述石墨粉、K 2S208與P205的質量比為1 : (0. 5?2) : (0. 5?2)，所述濃硫酸的質量濃 度為90?98 %，然後冷卻至20?40°C，加入800?1200mL超純水，放置8?12小時，將 產物洗滌至中性後在40?80°C下乾燥後得到預氧化石墨； (2) 將步驟（1)得到的預氧化石墨加入到200?300mL濃硫酸中，再加入NaN03和 ΚΜη04，所述濃硫酸的質量濃度為90?98%，所述預氧化石墨、NaN03與ΚΜη0 4的質量比為1 : (0· 5?2) : (10?50)，在0?5°C下反應2?6小時，升溫到30?40°C下反應1?4小時， 加入200?800mL超純水，在80?KKTC條件下反應1?6小時，然後加入800?1200mL 超純水和20?60mL H202，所述H202質量濃度為20?30%，繼續反應1?6小時，將得到的 產物用質量濃度為5?15%的HC1溶液洗滌，用大量水洗滌至中性，並在30?60°C下超聲 分散1?4小時得到濃度為1?10mg/mL的氧化石墨烯水溶液； (3) 在室溫下，將摩爾比為（1?3) : 1的Fe3+和Fe2+溶解於去氧超純水中，將得到的 鐵離子和亞鐵離子混合溶液加入步驟（2)所述的氧化石墨烯溶液中，在溫度為70?95°C 水浴鍋中迅速攪拌1?4分鐘，然後迅速加入300?600mL氨水調pH至9?11，繼續攪拌 0. 5?2小時，將得到的混合液冷卻，分離沉澱物並洗滌、定容，得到濃度為1?20mg/mL的 磁性氧化石墨烯懸液； (4) 將1?20mL氨水加入到500?2000mL步驟（3)所述的磁性氧化石墨烯懸液中，室 溫下攪拌1?10分鐘，然後迅速加入20?60mL二乙烯三胺，在室溫下攪拌5?20分鐘後 升溫到60?KKTC，繼續反應2?10小時，將得到的產物用大量水和乙醇清洗至中性，定容 後得到濃度為1?10mg/mL的磁性氨基化氧化石墨烯。
2. -種權力要求1所述的磁性氨基化氧化石墨烯應用於去除水中重金屬離子的方 法，所述方法包括以下步驟：取一定量的二價銅廢水，然後加入背景電解質NaCl、Na 2S04、 Na2HP04，所述NaCl、Na2S04、Na 2HP04的摩爾濃度為0. 0001?0. lmol/L，並調節pH值為1? 12,將一定量的磁性氨基化氧化石墨烯添加到廢水中，每升廢水中的添加量以磁性氨基化 氧化石墨烯重量計為0. 05?0. 5g，在轉速為50?300rpm的恆溫水浴振蕩器中反應0? 48小時，並控制反應溫度為10?50°C，反應完成後用磁鐵將磁性氨基化氧化石墨烯與溶液 分離，完成對廢水中二價銅的去除。
【文檔編號】C02F1/28GK104043396SQ201410327537
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】胡新將, 劉雲國, 曾光明, 王慧, 郭一明, 李婷婷, 周璐, 譚小飛, 江盧華, 郭方穎 申請人:湖南大學