一种用于吸附水体有机/无机污染物的生物炭/石墨烯复合材料及制备方法

文档序号:9556400阅读:713来源:国知局
一种用于吸附水体有机/无机污染物的生物炭/石墨烯复合材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水处理技术领域,设及一种用于吸附水体中有机/无机污染物的生物 炭/石墨締复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 废水中低浓度的多环芳控和隶(II)的去除一直是环境科学研究的热点和难点之 一。吸附法是常见的一种废水处理方法,具有效果好、治理快、操作简单等优点,吸附剂的性 能对污染物的吸附效果具有决定性作用,因此研发环境友好、成本低且效果好的吸附剂是 提高吸附效果的重点。
[0003] 生物炭含碳量高,具有较大的孔隙度和比表面积,是天然的吸附材料,其吸附性能 高、成本低廉,具有改良±壤、增加碳汇、修复环境污染等功能,被广泛应用于农业、生态修 复和环境保护领域。一般来说,高溫裂解(> 400 "C)得到的生物炭具有更大的比表面积、 孔容和孔径,相应的吸附能力也更强。然而,机理研究表明高溫裂解制备的生物炭对污染物 的吸附主导作用是表面吸附,而低溫制备的生物炭对污染物的去除不仅受表面吸附作用支 配,还存在分配作用。近年来,越来越多的学者开始研究生物炭复合材料的制备,将生物炭 与其它材料组合,利用物理、化学方法合成具有新性能、新结构的材料,提高吸附材料的性 能。
[0004] 石墨締作为近年来备受瞩目的纳米材料,具有单层石墨结构、大的比表面积、吸附 快、生产成本低的优点,其在废水处理方面具有广泛的应用前景。将生物炭和石墨締复合所 得的材料能够高效吸附水中污染物。文献"ZhangM,GaoB,YaoY,etal.Synthesis, ch曰r曰cteriz曰tion,曰ndenvironments!implic曰tionsofgr曰phene-co曰tedbioch曰r. TheScienceofthetotallinvironment, 2012, 435-436:567-572"报道了将石墨締 和生物炭复合材料应用于水中亚甲基蓝的去除,发现与单一生物炭相比,复合材料对亚甲 基蓝的最大吸附量提高了 20倍(174mg/gVS.8mg/g)。然而文献中的报道的复合材料 制备方法较复杂,需要添加1,3,6,8-巧四横酸四钢盐作为分散剂和粘连剂,且复合材料 仅应用于亚甲基蓝的去除。文献"Inyang,M.,Gao,B.,Zimmerman,A.,Zhang,M., Chen,H. 2014.Synthesis,ch曰r曰cteriz曰tion,曰nddyesorptionabilityofc曰rbon nanotube-biocharnanocomposites.ChemicalEngineeringJournal, 236, 39-46,'报 道了采用浸薩法制备碳纳米管/生物炭复合材料,所采用的方法与本发明采用的方法类 似,然而碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管,与石墨締 的单层结构有所区别,碳纳米管的结构使得污染物质很难进入其内表面,因此降低了其与 对污染物质的吸附能力。且文献中碳纳米管/生物炭复合材料复合材料仅应用于亚甲基蓝 的去除,应用范围较窄。

【发明内容】
阳0化]1. 一种用于吸附水体有机/无机污染物的生物炭/石墨締复合材料及制备方法, 其特征在于石墨締包覆在生物炭表面且复合材料具有高效吸附水中菲和隶(II)的能力。
[0006] 2.根据权利要求1所述的生物炭/石墨締复合材料,其特征在于:所述石墨締通 过31-31键直接包覆在生物炭表面。
[0007] 3.根据权利要求2所述的生物炭/石墨締复合材料,其特征在于:所述生物炭和 所述石墨締的质量比为1000:1~100:1。
[0008] 4.根据权利要求1至3中所述的生物炭/石墨締复合材料,其特征在于:制备步 骤简便: 1) 石墨締悬液的制备:分别将10mg、50mg、100mg石墨締粉末加入到100血去离子 水中,在超声清洗器中超声2h使其充分混合,得到浓度为100、500、1000mg/L的石墨締悬 浮液; 2) 生物炭/石墨締复合材料的制备:将小麦賴杆洗净惊干之后粉碎(~2mm),取5g小 麦賴杆加入到50mL的石墨締悬浮液中,磁力揽拌1h充分混合,在烘箱中80 "C条件下烘 3h,得到干燥的小麦賴杆/石墨締混合物;将所得混合物置于管式炉中在600 "C下通成绝 氧裂解1h,最后得到生物炭/石墨締复合材料,标记为G/BC; 3) 生物炭/石墨締复合材料的清洗:在上述得到的G/BC中加入1M肥1清洗24h,再 用蒸馈水反复冲洗将材料洗至中性,在烘箱中80 "C条件下烘干,得到G/BC复合材料。
[0009] 5.权利要求1至4所述的G/BC复合材料,其特征在于,应用于吸附水体中的有机 污染物菲和无机污染物隶(II)。
[0010] 6.权利要求5所述的污染物菲,其高效液相色谱(HPLC)检测条件如下:流动相体 积比乙腊:水=7:3 ;流速1.0血/min;进样量80化;柱箱溫度为30"C;检测波长280皿。
[0011]
【具体实施方式】: 结合W下具体实施案例进一步阐明本发明。需理解,W下实施方式仅用于解释本发明, 而不限制本发明的适用范围。下列实施方式中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规 条件操作。 阳〇1引 实施例: 本实施提供了一种简便的生物炭/石墨締复合材料的制备方法,并将其应用于水体中 菲和隶(II)的吸附。生物炭/石墨締复合材料的制备工序比较简单:分别将10mg、50mg、 100mg石墨締粉末加入到100mL去离子水中,在超声清洗器中超声2h使其充分混合,得 到浓度为1〇〇、500、1000mg/L的石墨締悬浮液。将粉碎后的小麦賴杆W1:10的比例加入 到石墨締悬浮液中,磁力揽拌1h充分混合,在烘箱中80 "C条件下烘3h,得到干燥的小 麦賴杆/石墨締混合物。然后将所得混合物置于管式炉中在600 "C下通成绝氧裂解1h, 得到生物炭/石墨締复合材料。最用1M肥1清洗24h,再用蒸馈水反复冲洗将复合材料 洗至中性,在烘箱中80 "C条件下烘干,得到生物炭/石墨締复合材料,标记为G/BC。通过 BET比表面积测定法测定G/BC的比表面积巧1);用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显 微镜(TEM)来观察复合材料表面形态,结果如图la(BC),d(G/BC-1%),g(石墨締G), h(BC),i(G/BC-1%)所示;通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)对比G、BC和G/BC-1%表面 官能团种类变化,结果如图2所示。
[0013] 为了考察G/BC对于废水中低浓度菲和隶(II)的吸附效果,将实验分组设置如下: (I) 生物炭(BC); (2)G/BC-0. 1% ; (3)G/BC-0. 5% ; (4)G/BC-1% ; (5)对照组,只有废水(CK)。
[0014] 在120血还有聚四氣乙締内衬盖子的栋色玻璃瓶中加入120血浓度为1000ppb 菲溶液,另外在30mL的聚四氣乙締瓶中加入28mL浓度为400ppb的隶(II)溶液,并按 照上述设置来安排实验。菲的反应实验在往复式振荡器中于150rpm、25 "C、避光条件下 平衡3天,隶(II)的反应实验在旋转式振荡器上于40rpm、25DC条件下平衡5天,所 有实验组及对照组均设Ξ组平行。实验完成之后,静置沉淀取上清液分别测定其中菲和隶 (II) 的浓度。
[0015] 使用高效液相色谱(HPLC)测定样品中菲的浓度,色谱条件如下:流动相体积比乙 腊:水=7:3 ;流速1.0血/min;进样量80化;柱箱溫度为30。C;检测波长280皿。
[0016] G/BC复合材料对菲和隶(II)的吸附效果如图3所示:图3a和3b分别表示吸附 材料对菲和隶(II)的吸附效果,随着石墨締添加量升高(0-1%),吸附材料对菲的去除率从 63. 3%到94. 9%,隶(II)的去除率从71. 0%升高到79. 7%,说明石墨締的添加显著增提高 生物炭对有机污染物菲和无机污染物隶(II)的吸附能力。吸附菲和隶(II)后材料的表面 形态如图化(BC-菲),C(BC-隶),e(G/BC-1%-菲),f(G/BC-1%-隶)所示,吸附后BC 和G/BC-1%的表面都出现了明显的隆起,G/BC-1%表面的隆起更加规则整洁,运也是石墨締 和污染物作用的结果。综合来看,G/BC复合材料具有吸附效果好、环境友好且成本低的优 点,在废水治理方面具有广泛的应用前景。 表1BC和G/BC的比表面积、孔径和孔容
【附图说明】: 图1是BC和G/BC-1%的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图,(a)SEM-BC, (b)SEM-BC-菲,(C)SEM-BC-隶,(d)SEM-G/BC-1%,(e)SEM-G/BC-1%-菲, (f)SEM-G/BC-1%-隶,(g)TEM-G,化)TEM-BC,α)TEM-G/BC-P/o; 图2是G、BC和G/BC-1%的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图 图3是G/BC复合材料对(a)菲和化)隶(II)的吸附效果。
【主权项】
1. 一种用于吸附水体有机/无机污染物的生物炭/石墨烯复合材料及制备方法,其特 征在于石墨烯包覆在生物炭表面且复合材料具有高效吸附水中菲和汞(II)的能力。2. 根据权利要求1所述的生物炭/石墨烯复合材料,其特征在于:所述石墨烯通过 31-31键直接包覆在生物炭表面。3. 根据权利要求2所述的生物炭/石墨烯复合材料,其特征在于:所述生物炭和所述 石墨烯的质量比为1000:1~1〇〇: 1。4. 根据权利要求1至3中所述的生物炭/石墨稀复合材料,其特征在于:制备步骤简 便: 1)石墨稀悬液的制备:分别将10mg、50mg、100mg石墨稀粉末加入到100mL去离子 水中,在超声清洗器中超声2h使其充分混合,得到浓度为100、500、1000mg/L的石墨烯悬 浮液; 2) 生物炭/石墨烯复合材料的制备:将小麦秸杆洗净晾干之后粉碎(~2 _),取5g小 麦秸杆加入到50mL的石墨烯悬浮液中,磁力搅拌1h充分混合,在烘箱中80 °C条件下烘 3h,得到干燥的小麦秸杆/石墨烯混合物;将所得混合物置于管式炉中在600 °C下通队绝 氧裂解1h,最后得到生物炭/石墨烯复合材料,标记为G/BC; 3) 生物炭/石墨烯复合材料的清洗:在上述得到的G/BC中加入1MHC1清洗24h,再 用蒸馏水反复冲洗将材料洗至中性,在烘箱中80 °C条件下烘干,得到G/BC复合材料。5. 权利要求1至4所述的G/BC复合材料,其特征在于,应用于吸附水体中的有机污染 物菲和无机污染物汞(II)。6. 权利要求5所述的污染物菲,其高效液相色谱(HPLC)检测条件如下:流动相体积比 乙腈:水=7:3 ;流速1. 0mL/min;进样量80μL;柱箱温度为30°C;检测波长280nm。
【专利摘要】一种用于吸附水体有机/无机污染物的生物炭/石墨烯复合材料及制备方法。本发明公开了一种简便的生物炭/石墨烯复合材料及制备方法,并用于吸附水体中有机/无机污染物。技术方案是采用石墨烯悬浮液直接处理生物质原材料,将二者混合物烘干后,在管式炉中600?oC条件下绝氧裂解1h,使石墨烯通过π-π键包覆在生物炭表面,石墨烯外层赋予生物炭/石墨烯复合材料更大的比表面积,更多的官能团,使得生物炭/石墨烯复合材料对水中菲和汞(?)的去除效果显著提高。本发明具有工艺简单、效果稳定、适用范围广、复合材料对环境友好、不造成二次污染的优点,在修复水体中有机和无机污染方面具有广泛的应用前景。
【IPC分类】B01J20/30, C02F1/62, C02F1/58, B01J20/20, C02F1/28
【公开号】CN105312025
【申请号】CN201510358572
【发明人】唐景春, 吕宏虹, 宫艳艳, 黄华
【申请人】南开大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年6月26日
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