一步法合成氮硫共掺杂石墨烯气凝胶及其对多种重金属离子的电吸附去除的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一步法合成氮硫共渗杂石墨締气凝胶及其对多种重金属离子的电吸 附去除，属于废水处理和材料合成领域。 技术背景
[0002] 目前，水体中的重金属污染日益受到人们的共同关注，运也成为国内外水环境污 染治理的研究难题和焦点。水体中的重金属离子可W在水生生物中富集，通过食物链危害 人体健康。目前常用的处理重金属离子废水的方法有化学沉淀法、氧化法、还原法、蒸发浓 缩法、离子交换法、活性炭吸附法和浮选法等，但都不同程度存在操作困难、处理费用昂贵、 易造成二次污染等缺点。电吸附法是近60年来发展起来的新型水处理技术，具有能耗低、对 环境无二次污染等优点，在水处理的领域有很大的应用潜力和广泛的应用前景。
[0003] 用于电吸附的材料有活性碳、碳纳米管等含碳材料。石墨締是一种由碳原子Wsp2 杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨締 因其拥有较大的比表面积、载流子迁移率高、机械灵活性优异且良好的热/化学稳定性等众 多独特的性能，从而受到了广泛的关注，并应用于很多研究领域，像光子器件、环境修复、生 物技术、催化剂、新能源电池领域等。但是，在制备石墨締的过程中，由于石墨締中存在的K-JT键和范德华力可能会导致它发生不可逆的聚集或者重新堆叠成石墨结构，运会影响了石 墨締的性能。而3D石墨締就能有效地防止运一现象的发生。并且运一新型材料一石墨締水 凝胶/气凝胶，具有更大的比表面积，同时质量轻、机械性能好、电子转移率高。
[0004] 在电吸附材料中渗杂其他的杂原子如氮、硫、憐、棚等可W有效的增加重金属离子 的吸附率，运归因于杂原子和重金属离子之间的馨合作用。因此，本发明利用石墨締气凝胶 的大比表面积W及高的电子转移率用于去除废水中的重金属离子，在气凝胶中渗杂氮、硫 原子，制备氮硫共渗杂石墨締气凝胶，同时对多种重金属离子之间的电吸附效果进行了研 究，运种方法目前尚未见报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在于将材料氮硫共渗杂石墨締气凝胶应用于一个新的领域一电 吸附水中重金属离子中。将氮硫共渗杂石墨締气凝胶制成吸附电极后能有效的吸附水中的 重金属离子。
[0006] 本发明设及一步法合成氮硫共渗杂石墨締气凝胶及其对多种重金属离子的电吸 附去除，包括W下步骤：
[0007] a、制备氮硫共渗杂石墨締气凝胶:将氧化石墨締超声分散于去离子水中，超声10 ~30min使其分散均匀。待其分散均匀后加入心半脫氨酸，揽拌使其分散均匀。然后将混合 液在95°C的条件下进行水浴加热2h。反应结束后，将反应产物置于蒸馈水中沉浸2~3天，然 后冷冻干燥，得到氮硫共渗杂石墨締气凝胶材料；
[0008] b、制备氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极:将步骤a制得的氮硫共渗杂石墨締气凝 胶与预先配制的聚乙締醇溶液混合，形成糊状的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均匀涂 抹于硬纸片上，冷冻干燥，得到氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极；
[0009] C、电化学法去除水中重金属离子:配制重金属离子溶液，量取重金属离子溶液置 于电吸附容器中，将步骤b中制得的氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极对多种重金属离子分 别进行电吸附实验。电吸附重金属离子实验采用=电极体系，W纸电极为工作电极，销片电 极为对电极，甘隶电极为参比电极。同时使用电导率仪实时监测溶液电导率的变化，当电导 率保持不变时，即各纸电极吸附达到平衡。
[0010] 进一步，步骤曰中心半脫氨酸与氧化石墨締的质量比为3:1，反应溫度为95°C，反应 时间为2~地。
[00川进一步，步骤C中电吸附水中的多种重金属离子分别为Pb2+、Cd2+、Hgh及Cu 2+。
[0012] 本发明的有益效果是:氮硫共渗杂石墨締气凝胶的制备方法简便易行，制备过程 环保无污染，W运些材料修饰的电极对于水中重金属离子的吸附效率较高、时间短、操作简 便，材料的电吸附性能与W往材料相比也有了大幅的提升。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0014] 图1为实施例一中制备的氮硫共渗杂石墨締气凝胶的红外谱图(FT-IR图）；
[0015] 图2为实施例二中氮硫共渗杂石墨締气凝胶对多种重金属离子的电吸附效果，横 坐标为不同的重金属离子，纵坐标为重金属离子去除率；
[0016] 图3为实施例=中氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极的吸附性能随再生次数的变 化。
【具体实施方式】
[0017] 现在结合具体实施例对本发明做进一步说明，W下实施例旨在说明本发明而不是 对本发明的进一步限定。
[001引在本发明详细叙述和实施例子中所示的重金属离子帅2+細2+、化 2义加2+)去除率 是按下述方法测定的：
式中，％R、C0、Ce分别表示各重金属离子的去除 率、初始浓度、平衡浓度。
[0019] 实施例一；
[0020] 制备氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极包括W下几个步骤：
[0021] (1)将0.15g的氧化石墨締(GO)超声分散在IOOmL蒸馈水中，再加入0.45旨的心半脫 氨酸，机械揽拌使其充分混合，然后将混合液在95°C的条件下进行水浴加热化。反应结束 后，将生成的产物沉浸于蒸馈水中2~3天，最后样品在-52°C冷冻干燥2地，得氮硫共渗杂石 墨締气凝胶。
[0022] (2)将90mg步骤(1)制得的氮硫共渗杂石墨締气凝胶材料加入2mL 4wt%的聚乙締 醇溶液，超声使复合材料在溶液里分散均匀。取0.16mL上述分散液均匀涂抹于35mm X 8mm的 硬纸片(厚400WI1)上，于-52°C冷冻干燥干燥12h，制成氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极。
[0023] 实施例二：
[0024] 氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极的制备过程与实施例一相同。
[0025] 将制备的氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极分别用于饥(N〇3)2、CdS化、HgS化和化S化 溶液的电化学处理，施加电压为-0.3V，处理时间为2min，化 2+、Cd2+、Hgh及Cu2+的去除率见图 2,可见氮硫共渗杂石墨締气凝胶材料对重金属离子化的吸附效果最好。
[0026] 实施例S:
[0027] 氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极的制备过程与实施例一相同。
[0028] 对氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极进行循环电吸附试验。W对化h的电吸附为例， 对氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极进行循环电吸附试验。将氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电 极置于SOmL浓度为1mmol/L的CuS〇4溶液中，施加电位-0.3V，并记录溶液电导率，2min后再 次记录溶液的电导率，计算去除率。随后撤去电位让其脱附，连续循环多次。实验结果如图3 所示。首次吸附化h去除率为65%，在经过100次的循环使用后电极对Cu 2+去除率为62%。说 明该材料具有极高的再生性能。
【主权项】
1. 一步法合成氮硫共掺杂石墨烯气凝胶及其对多种重金属离子的电吸附去除，其特征 在于:步骤如下： a、 制备氮硫共掺杂石墨烯气凝胶：将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，超声10~ 30min使其分散均匀。待其分散均匀后加入L-半胱氨酸，搅拌使其分散均匀。然后将混合液 在95°C的条件下进行水浴加热2h。反应结束后，将反应产物置于蒸馏水中沉浸2~3天，然后 冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯气凝胶材料； b、 制备氮硫共掺杂石墨烯气凝胶纸电极:将步骤a制得的氮硫共掺杂石墨烯气凝胶与 预先配制的聚乙烯醇溶液混合，形成糊状的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均匀涂抹于 硬纸片上，冷冻干燥，得到氮硫共掺杂石墨烯气凝胶纸电极； c、 电化学法去除水中重金属离子:配制重金属离子溶液，量取重金属离子溶液置于电 吸附容器中，将步骤b中制得的氮硫共掺杂石墨烯气凝胶纸电极对多种重金属离子分别进 行电吸附实验。电吸附重金属离子实验采用三电极体系，以纸电极为工作电极，铂片电极为 对电极，甘汞电极为参比电极。同时使用电导率仪实时监测溶液电导率的变化，当电导率保 持不变时，即纸电极吸附达到平衡； d、 脱附再生使用后的电极:对于达到吸附饱和的氮硫共掺杂石墨烯气凝胶纸电极，撤 去电极上的电压后，溶液的电导率恢复至接近初始值，实现电极的脱附再生。2. 根据权利要求1所述一步法合成氮硫共掺杂石墨烯气凝胶及其对多种重金属离子的 电吸附去除，其特征是:所述步骤a中L-半胱氨酸与氧化石墨烯的质量比为3:1，反应温度为 95°(：，反应时间为2~411。3. 根据权利要求1所述一步法合成氮硫共掺杂石墨烯气凝胶及其对多种重金属离子的 电吸附去除，其特征是:所述步骤c中电吸附水中的多种重金属离子分别为Pb 2+、Cd2+、Hg2+及 Cu2+〇
【专利摘要】本发明涉及一步法合成氮硫共掺杂石墨烯气凝胶及其对多种重金属离子的电吸附去除，包括以下步骤：制备氮硫共掺杂石墨烯气凝胶、制备氮硫共掺杂石墨烯气凝胶纸电极、在三电极体系下通过纸电极对多种重金属离子进行电吸附。本发明的有益效果是：氮硫共掺杂石墨烯气凝胶的制备方法简便易行，制备过程环保无污染，以这些材料修饰的电极对于水中重金属离子的吸附效率高、速度快、操作简便，并对多种重金属离子的电吸附效果进行了比较。
【IPC分类】C02F101/22, C02F1/469, C01B31/04, C02F101/20
【公开号】CN105668724
【申请号】CN201610159049
【发明人】孔泳, 徐斓, 魏永
【申请人】常州大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月18日