一种石墨烯/蒙脱石纳米复合材料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及水污染控制技术领域，具体涉及一种石墨烯/蒙脱石纳米复合材料及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]随着工业经济的不断发展，越来越多的含有重金属或有机污染物的废水被排放到自然水体中，严重危害着生态环境和人类健康。水污染问题是世界范围内许多国家，尤其是发展中国家，面临的一个主要环境问题。中国拥有大量的生产加工企业，水污染现状自然不容乐观。废水中的重金属污染物具有难降解、毒性大以及容易在生物体内积累等特点，对自然环境和人类的潜在危害巨大，因此对废水中重金属污染物的去除一直是各国研宄者探讨的热点。六价铬离子是工业废水中常见的一种重金属污染物，它被广泛应用于金属加工、制革、电镀以及颜料制造等行业中。六价铬具有致癌性，已被列为优先控制污染物之一。对于废水中的六价铬离子的治理，吸附法在众多方法中以费用低、易于操作、效果好、可回收重金属以及吸附剂可再生等优势成为常用的方法。到目前为止，各国的研宄者开发了各种不同的吸附材料来去除废水中的六价铬离子，虽然一些吸附材料表现出良好的吸附效果，但这些材料的可重复利用率却比较低，这势必会造成资源浪费、增加运行费用，并且有可能会带来二次污染。石墨烯是近十年来兴起的一种二维纳米材料，巨大的比表面积使其成为一种性能良好的吸附剂。但在制备过程中，石墨烯薄片会发生不可逆转的重新堆叠，使其失去大部分的比表面积，从而限制了石墨烯作为吸附剂在水污染控制中的应用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的之一在于为废水中污染物的去除提供一种经济、环保、易于制备、可重复利用率高的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料吸附剂。
[0004]本发明的目的之二在于提供上述石墨烯/蒙脱石纳米复合材料的一种制备方法，该方法工艺简单、设备要求低、易于大规模生产。
[0005]本发明的目的之三在于提供上述石墨烯/蒙脱石纳米复合材料作为吸附剂在去除含重金属废水中六价铬离子的应用。
[0006]本发明所采取的技术方案是:
一种石墨烯/蒙脱石纳米复合材料的制备方法，步骤为:将十六烷基三甲基溴化铵改性后的蒙脱石悬浮液和超声处理后的氧化石墨烯悬浮液均匀混合，充分超声、搅拌后加入还原剂进行还原，反应完成后得到黑色絮状沉淀，经洗涤、抽滤、干燥和研磨过筛后得到石墨烯/蒙脱石纳米复合材料。
[0007]上述方法包括如下步骤:
(1)将氧化石墨固体加入水中，经超声处理后得到氧化石墨烯悬浮液；
(2)将十六烷基三甲基溴化铵改性蒙脱石分散在水中，得到有机改性蒙脱石悬浮液；
(3)将步骤(I)和步骤(2)中得到的氧化石墨烯悬浮液和有机改性蒙脱石悬浮液均匀混合在一起，在机械搅拌和超声作用下得到均匀、稳定的悬浮液；
(4)将步骤(3)中得到的悬浮液水浴加热至70°C，机械搅拌下加入还原剂，反应完成后得到黑色絮状沉淀；
(5)对步骤(4)中得到的黑色絮状沉淀进行洗涤、抽滤、干燥和研磨过筛后得到石墨烯/蒙脱石纳米复合材料。
[0008]上述方法中，步骤(I)中所述超声处理时间为90~150 min，超声处理功率为180-200 W ;所述氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.2-0.3 g/L。
[0009]上述方法中，步骤(2)中所述有机改性蒙脱石悬浮液的制备方法如下:
将蒙脱石粉末加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，在50~70°C的水浴条件下通过机械搅拌反应100~150 min后，用去离子水对产物进行抽滤洗涤，直至产物中不含溴离子，然后将产物重新分散于水中，得到有机改性蒙脱石悬浮液，其中十六烷基三甲基溴化铵的用量为1.0-1.5倍的蒙脱石阳呙子交换容量。
[0010]上述方法中，步骤(3)中所述机械搅拌和超声作用的具体步骤为:机械搅拌和超声两种作用的共同作用时间为60 min，随后再机械搅拌120 min ;氧化石墨稀悬浮液和有机改性蒙脱石悬浮液之间的加入量满足:氧化石墨烯与蒙脱石的质量比为(1~3):10o
[0011]上述方法中，步骤(4)中所述还原剂为抗坏血酸，其用量为氧化石墨烯质量的8-12 倍。
[0012]一种石墨烯/蒙脱石纳米复合材料，所述石墨烯/蒙脱石纳米复合材料包含石墨烯、十六烷基三甲基溴化铵和蒙脱石。
[0013]优选地，所述十六烷基三甲基溴化铵通过离子交换作用插入蒙脱石层间；所述石墨烯通过静电吸引或者羟基作用与蒙脱石结合在一起。
[0014]一种石墨烯/蒙脱石纳米复合材料作为吸附剂应用于含重金属废水的处理。
[0015]上述应用中，所述去除含重金属废水中的六价铬离子，具体步骤如下:
石墨烯/蒙脱石纳米复合材料的投加量为3~6 g/L，控制废水温度为20~30°C，充分震荡，达到既定的处理效果后将吸附剂与废水分离，完成对废水中六价铬离子的吸附去除；用0.1 mo I/L-1 mo I/L的氢氧化钠溶液对吸附饱和的吸附剂进行脱附，控制废水温度为25-35 °C，充分震荡，脱附完全后将吸附剂回收利用。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
(1)本发明的材料制备过程简单易行、设备要求低，易于实现大规模批量生产；
(2)本发明所需原料储量丰富、价格低廉，且在使用过程中不会对环境造成污染，能够以较低的投入获得较大的经济效益；
(3)本发明中蒙脱石与石墨烯的结合成功避免了石墨烯薄片在还原过程中重新堆置;
(4)本发明制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料作为吸附剂能够快速、高效地吸附去除废水中的六价铬离子，该吸附剂吸附饱和后能够用简单的方法脱附再生，实现吸附剂和吸附质的双重回收利用，不仅不会带来二次污染，而且大大降低了废水的处理成本。
【附图说明】
[0017]图1为本发明的实施例1制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料的透射电镜图。
[0018]图2为本发明的实施例1、2和3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料与有机改性蒙脱石、蒙脱石的傅里叶变换红外光谱对比示意图。
[0019]图3为本发明的实施例1、2和3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料与有机改性蒙脱石、蒙脱石的X射线衍射对比示意图。
[0020]图4为本发明的实施例1、2和3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料与蒙脱石在不同溶液PH值条件下对六价铬离子的吸附量对比示意图。
[0021]图5为本发明的实施例3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料与蒙脱石在不同吸附时间条件下对六价铬离子的吸附量对比示意图。
[0022]图6为本发明的实施例3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料与蒙脱石在不同投加量的条件下对六价铬离子的吸附量对比示意图。
[0023]图7为本发明的实施例3制备的石墨烯/蒙脱石纳米复合材料在6轮吸附-脱附实验中对六价铬离子的吸附量和脱附程度示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
[0025]实施例1
(I)将0.25g氧化石墨固体加入水中，经超声处理2 h后得到浓度为0.25 g/L的氧化石墨稀悬浮液；
本实施例中的氧化石墨采用改良的Hmnmers法制备，具体步骤为:将120 ml浓硫酸加入I L烧杯并置于冰水浴中，用电动搅拌器对其进行缓慢