一种n、s元素协同修饰石墨烯电极去除水中铝离子的方法
【专利摘要】本发明涉及一种N、S元素协同修饰石墨烯电极去除水中铝离子的方法，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铝离子进行电吸附。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铝离子的吸附效率高、速度快、操作简便。
【专利说明】
-种N、S元素协同修饰石墨稀电极去除水中错离子的方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种N、S元素协同修饰石墨締电极去除水中侣离子的方法，属于水处 理和材料合成领域。 技术背景
[0002] 侣是不是人体必需的微量元素，人们每天要从饮食中摄入约10-18毫克的侣，其中 大部分经消化道随粪便排出，小部分肾、脾、肌肉、骨骼和脑组织内蓄积。W往一直认为侣对 人体健康影响不大。但近老年性痴呆或精神异常患者，脑内含侣量比正常人高10-30倍。进 一步的研究证实，食品中含侣量过高，将导致人的早期衰老，侣在脑中蓄积可引起大脑神经 的退化，记忆力衰退，智力和性格也会受到影响，甚至呈现老年性痴呆。当体内侣蓄积量超 过正常的5-16倍时，可抑制肠道对憐的吸收，干扰体内正常的巧、憐新陈代谢。因此有效地 去除水中的侣离子成为了近期的热口话题。
[0003] 目前侣离子的处理方法有很多种，主要可W分为化学法、物理法、电解法、吸附法、 生物法等。其中，化学法主要包括化学沉淀法、氧化-还原法、铁氧体法等;物理法主要包括 蒸发浓缩法、离子交换法、膜分离法等。各种不同的处理方法各有利弊，在实际的工业应用 中往往是交叉联合使用。电吸附相对于其他的水处理方法，具有无二次污染、能耗低、投资 少、使用寿命长和易再生等优点，是一种既经济又有效的方法。因此，电吸附技术是一种具 有发展前途的废水处理技术。
[0004] 用于电吸附的材料有活性碳、碳纳米管等含碳材料。石墨締是一种二维碳材料，是 单层石墨締、双层石墨締和多层石墨締的统称。由于其非同寻常的导电性能、良好的热稳定 性、机械性能W及光学性能，得到了大家的广泛关注，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η-π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 局。
[0005] 石墨締气凝胶的用途有很多，由于其优越的物理性质和化学性能，常用于超级电 容器、空气净化器等。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侣，不仅去除效果好同时成本低，无二次污染，为人类的身体健康提 供了保障。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是在于将N、S元素协同修饰石墨締电极应用于一个新的领域一电吸 附水中侣离子中。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侣离 子。
[0007] 本发明设及N、S元素协同修饰石墨締电极去除水中侣离子的方法，包括W下步骤：
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] C、电化学法去除水中侣离子:配制侣离子溶液，量取侣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侣离子进行电吸附实验。电吸附侣 离子实验采用Ξ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。
[0011] 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。
[0012] 进一步，步骤C中电吸附水中的离子为A13+。
[0013] 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】
[0014] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0015] 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）；
[0016] 图2为实施例二中溶液AP初始浓度对AP去除率的影响；
[0017] 图3为实施例Ξ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】
[0018] 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。
[0019] 在本发明详细叙述和实施例子中所示的侣离子去除率是按下述方法测定的：
，式中，％R、Co、Ce分别表示A13+的去除率、初始浓度、平衡浓度。
[0020] 实施例一：
[0021] 制备氮硫共渗杂石墨締气凝胶纸电极包括W下几个步骤：
[00剖 （1)将0.15g的氧化石墨締(GO)超声分散在lOOmL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95Γ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。
[0023] (2)将90mg步骤（1)制得的氮硫共渗杂石墨締气凝胶材料加入2mL4wt %的聚乙締 醇溶液，超声使复合材料在溶液里分散均匀。取ο. 16mL上述分散液均匀涂抹于35mm X 8mm的 硬纸片(厚400μπι)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。
[0024] 实施例二：
[0025] 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。
[0026] 将制备的渗氮石墨締气凝胶纸电极分别用于0.25、0.4、0.8、1、3和611^的413+溶液 的电化学处理，施加电压为0.3V，处理时间为2min，Al3+的去除率见图2,可见渗氮石墨締气 凝胶材料对低浓度的Al3+溶液有较好的吸附效果。
[0027] 实施例
[0028] 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。
[0029] 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80mL浓度为0.25mmol/L的AP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A13+去除率为69.7%，在经过30次的循环使用后电极对A13+去除 率为63.8%，然后再继续进行电吸附循环实验，电吸附去除率逐渐下降。
【主权项】
1. 一种N、S元素协同修饰石墨烯电极去除水中铝离子的方法，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、 电化学法去除水中铝离子:配制铝离子溶液，量取铝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铝离子分别进行电吸附实验。电吸附铝 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所述一种N、S元素协同修饰石墨烯电极去除水中铝离子的方法，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°C，反应时间为 2 ~4h〇3. 根据权利要求1所述一种N、S元素协同修饰石墨烯电极去除水中铝离子的方法，其特 征是:所述步骤c中电吸附水中的离子为A1 3+。
【文档编号】C02F1/469GK105948190SQ201610519915
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】魏永, 徐斓, 赵威, 廖旭, 崔文怡, 王钰, 李如意, 吕晓港
【申请人】常州大学