一種石墨烯/蒙脫石納米復合材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水污染控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯/蒙脫石納米復合材料及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的含有重金屬或有機污染物的廢水被排放到自然水體中，嚴重危害著生態(tài)環(huán)境和人類健康。水污染問題是世界范圍內(nèi)許多國家，尤其是發(fā)展中國家，面臨的一個主要環(huán)境問題。中國擁有大量的生產(chǎn)加工企業(yè)，水污染現(xiàn)狀自然不容樂觀。廢水中的重金屬污染物具有難降解、毒性大以及容易在生物體內(nèi)積累等特點，對自然環(huán)境和人類的潛在危害巨大，因此對廢水中重金屬污染物的去除一直是各國研宄者探討的熱點。六價鉻離子是工業(yè)廢水中常見的一種重金屬污染物，它被廣泛應(yīng)用于金屬加工、制革、電鍍以及顏料制造等行業(yè)中。六價鉻具有致癌性，已被列為優(yōu)先控制污染物之一。對于廢水中的六價鉻離子的治理，吸附法在眾多方法中以費用低、易于操作、效果好、可回收重金屬以及吸附劑可再生等優(yōu)勢成為常用的方法。到目前為止，各國的研宄者開發(fā)了各種不同的吸附材料來去除廢水中的六價鉻離子，雖然一些吸附材料表現(xiàn)出良好的吸附效果，但這些材料的可重復利用率卻比較低，這勢必會造成資源浪費、增加運行費用，并且有可能會帶來二次污染。石墨烯是近十年來興起的一種二維納米材料，巨大的比表面積使其成為一種性能良好的吸附劑。但在制備過程中，石墨烯薄片會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的重新堆疊，使其失去大部分的比表面積，從而限制了石墨烯作為吸附劑在水污染控制中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的之一在于為廢水中污染物的去除提供一種經(jīng)濟、環(huán)保、易于制備、可重復利用率高的石墨烯/蒙脫石納米復合材料吸附劑。
[0004]本發(fā)明的目的之二在于提供上述石墨烯/蒙脫石納米復合材料的一種制備方法，該方法工藝簡單、設(shè)備要求低、易于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明的目的之三在于提供上述石墨烯/蒙脫石納米復合材料作為吸附劑在去除含重金屬廢水中六價鉻離子的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
一種石墨烯/蒙脫石納米復合材料的制備方法，步驟為:將十六烷基三甲基溴化銨改性后的蒙脫石懸浮液和超聲處理后的氧化石墨烯懸浮液均勻混合，充分超聲、攪拌后加入還原劑進行還原，反應(yīng)完成后得到黑色絮狀沉淀，經(jīng)洗滌、抽濾、干燥和研磨過篩后得到石墨烯/蒙脫石納米復合材料。
[0007]上述方法包括如下步驟:
(1)將氧化石墨固體加入水中，經(jīng)超聲處理后得到氧化石墨烯懸浮液；
(2)將十六烷基三甲基溴化銨改性蒙脫石分散在水中，得到有機改性蒙脫石懸浮液；
(3)將步驟(I)和步驟(2)中得到的氧化石墨烯懸浮液和有機改性蒙脫石懸浮液均勻混合在一起，在機械攪拌和超聲作用下得到均勻、穩(wěn)定的懸浮液；
(4)將步驟(3)中得到的懸浮液水浴加熱至70°C，機械攪拌下加入還原劑，反應(yīng)完成后得到黑色絮狀沉淀；
(5)對步驟(4)中得到的黑色絮狀沉淀進行洗滌、抽濾、干燥和研磨過篩后得到石墨烯/蒙脫石納米復合材料。
[0008]上述方法中，步驟(I)中所述超聲處理時間為90~150 min，超聲處理功率為180-200 W ;所述氧化石墨烯懸浮液的濃度為0.2-0.3 g/L。
[0009]上述方法中，步驟(2)中所述有機改性蒙脫石懸浮液的制備方法如下:
將蒙脫石粉末加入到十六烷基三甲基溴化銨溶液中，在50~70°C的水浴條件下通過機械攪拌反應(yīng)100~150 min后，用去離子水對產(chǎn)物進行抽濾洗滌，直至產(chǎn)物中不含溴離子，然后將產(chǎn)物重新分散于水中，得到有機改性蒙脫石懸浮液，其中十六烷基三甲基溴化銨的用量為1.0-1.5倍的蒙脫石陽咼子交換容量。
[0010]上述方法中，步驟(3)中所述機械攪拌和超聲作用的具體步驟為:機械攪拌和超聲兩種作用的共同作用時間為60 min，隨后再機械攪拌120 min ;氧化石墨稀懸浮液和有機改性蒙脫石懸浮液之間的加入量滿足:氧化石墨烯與蒙脫石的質(zhì)量比為(1~3):10o
[0011]上述方法中，步驟(4)中所述還原劑為抗壞血酸，其用量為氧化石墨烯質(zhì)量的8-12 倍。
[0012]一種石墨烯/蒙脫石納米復合材料，所述石墨烯/蒙脫石納米復合材料包含石墨烯、十六烷基三甲基溴化銨和蒙脫石。
[0013]優(yōu)選地，所述十六烷基三甲基溴化銨通過離子交換作用插入蒙脫石層間；所述石墨烯通過靜電吸引或者羥基作用與蒙脫石結(jié)合在一起。
[0014]一種石墨烯/蒙脫石納米復合材料作為吸附劑應(yīng)用于含重金屬廢水的處理。
[0015]上述應(yīng)用中，所述去除含重金屬廢水中的六價鉻離子，具體步驟如下:
石墨烯/蒙脫石納米復合材料的投加量為3~6 g/L，控制廢水溫度為20~30°C，充分震蕩，達到既定的處理效果后將吸附劑與廢水分離，完成對廢水中六價鉻離子的吸附去除；用0.1 mo I/L-1 mo I/L的氫氧化鈉溶液對吸附飽和的吸附劑進行脫附，控制廢水溫度為25-35 °C，充分震蕩，脫附完全后將吸附劑回收利用。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明的材料制備過程簡單易行、設(shè)備要求低，易于實現(xiàn)大規(guī)模批量生產(chǎn)；
(2)本發(fā)明所需原料儲量豐富、價格低廉，且在使用過程中不會對環(huán)境造成污染，能夠以較低的投入獲得較大的經(jīng)濟效益；
(3)本發(fā)明中蒙脫石與石墨烯的結(jié)合成功避免了石墨烯薄片在還原過程中重新堆置;
(4)本發(fā)明制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料作為吸附劑能夠快速、高效地吸附去除廢水中的六價鉻離子，該吸附劑吸附飽和后能夠用簡單的方法脫附再生，實現(xiàn)吸附劑和吸附質(zhì)的雙重回收利用，不僅不會帶來二次污染，而且大大降低了廢水的處理成本。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的實施例1制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料的透射電鏡圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的實施例1、2和3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料與有機改性蒙脫石、蒙脫石的傅里葉變換紅外光譜對比示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明的實施例1、2和3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料與有機改性蒙脫石、蒙脫石的X射線衍射對比示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明的實施例1、2和3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料與蒙脫石在不同溶液PH值條件下對六價鉻離子的吸附量對比示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明的實施例3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料與蒙脫石在不同吸附時間條件下對六價鉻離子的吸附量對比示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明的實施例3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料與蒙脫石在不同投加量的條件下對六價鉻離子的吸附量對比示意圖。
[0023]圖7為本發(fā)明的實施例3制備的石墨烯/蒙脫石納米復合材料在6輪吸附-脫附實驗中對六價鉻離子的吸附量和脫附程度示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步地具體詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進行。
[0025]實施例1
(I)將0.25g氧化石墨固體加入水中，經(jīng)超聲處理2 h后得到濃度為0.25 g/L的氧化石墨稀懸浮液；
本實施例中的氧化石墨采用改良的Hmnmers法制備，具體步驟為:將120 ml濃硫酸加入I L燒杯并置于冰水浴中，用電動攪拌器對其進行緩慢