本发明涉及净水滤芯技术领域，具体地说，涉及一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用。
背景技术
自来水中含有细菌、重金属、异味气体、色素等有害物质，据统计，通常自来水中含有大约2000多种化合物，其中200多种对人体有害，其中细菌是水污染的主要原因。研究表明：饮用水中的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、蜡样芽胞杆菌及致病性大肠埃希氏菌等致病菌会对人类健康产生非常严重的影响。净水器是一种理想的家庭净水设备，用于自来水净化，使受到污染及未达到安全饮用水标准的自来水经本净水器处理后，均能得到较大改善。可有效去除铁锈、泥沙、余氯、异色异味、有机物、重金属离子以及大于1μm的虫卵、红虫等。现有技术中，净水器的前置过滤装置，通常设置有两级滤芯，第一级为pp棉滤芯，第二级为压缩活性炭滤芯，所述两级滤芯设置于水处理通路上。pp滤芯多吸附水中悬浮杂质、颗粒、污泥等，以微米(μm)为分级的标准，常见的是1、5、10、20μm等过滤孔径，采用熔喷工艺，通过特殊的接收装置，使得熔喷超细纤维形成无芯筒状物，通过调整工艺组合，可以改变纤维直径和密度，从而得到各种不同过滤性能的滤芯产品。活性炭自二十世纪初即被发现可用来做为水处理用。它是一个具多孔状组织的碳，这些孔就是用来增加活性炭吸附杂质的表面积。碳化物质的物性与它的原材料和处理过程的好坏有极大的关系。活性炭是靠表面多孔状组织吸附化学物质、有机污染源、异色异味等。一般而言，体积越小的活性炭，其总体表面积会越大，吸附能力也就会越高，但其管路的压损也会越高。当自来水流量较大时，活性炭过滤材料的吸附能力非常有限，不能有效的去除自来水中的余氯及重金属等。当活性炭过滤材料的吸附能力达到饱和后，必须更换活性炭过滤芯，否则就无法起到过滤作用，而频繁更换活性炭过滤芯，将给用户带来不便，并增加使用成本。同时，pp棉滤芯和普通的活性炭过滤材料均不能抑制细菌的滋生，所述两级滤芯长时间不更换，反而会造成二次污染，细菌呈几何倍数增加。为了达到抗菌的目的，现有的处理方法是将压缩活性炭滤芯浸泡到硝酸银和稀硝酸混合液中，干燥后，银离子即物理吸附在压缩活性炭滤芯上，从而实现杀菌抗菌功能，然而，所述压缩活性炭滤芯一旦设置于水处理通路上，银和硝酸均会析出，银为重金属，对人体有害，硝酸析出为亚硝酸盐，长期使用会致癌。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种石墨烯改性活性炭复合滤芯及其制备方法和应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯，包括以下质量百分含量的各组分：
石墨烯0.1％-10％；
改性活性炭90-99.9％。
更优选石墨烯质量百分含量为1-10％。
优选地，所述改性活性炭的制备方法为：
将活性炭原料洗净、干燥后，加入到改性剂溶液中，搅拌均匀后浸泡2-3小时，滤出固体物质，清洗、干燥后即得改性活性炭；
所述活性炭与改性剂的质量比为20:1-1:2；所述改性剂溶液中改性剂的质量分数为1％-30％。
优选地，所述活性炭原料为煤质活性炭、椰壳活性炭、果壳活性炭、木材活性炭中的一种或者多种。更优选为椰壳活性炭。
优选地，所述改性剂为有机硅、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、十二烷基苯磺酸钠、丁二烯及苯乙烯中的一种或者多种。
优选地，所述改性剂为十二烷基苯磺酸钠改性活性炭。
优选地，所述石墨烯为氧化石墨烯、石墨烯、阴离子改性石墨烯、氧化还原石墨烯中的一种或者多种。更优选为氧化石墨烯、阴离子改性石墨烯。
本发明还提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将改性活性炭浸泡在石墨烯溶液中，滤出固体物质；
b、然后将固体物质清洗后干燥，即得所述石墨烯改性活性炭复合滤芯。由此制备得到的复合滤芯中，石墨烯的含量可达0.05-2％。
优选地，步骤a中，所述石墨烯溶液中，含有石墨烯的质量为0.1-10％，更优选1-10％；所述浸泡时间为6-10小时。
优选地，所述干燥温度为110-130℃，干燥时间为20-28h。
本发明采用浸泡-烘干工艺，将改性过的活性炭浸泡在氧化石墨烯中，通过脱酸/脱碱反应，形成硫桥键，增强氧化石墨烯与活性炭的连接。
本发明还提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯在净水设备中的应用。
本发明的改性剂主要作用是利用化学键合反应链接石墨烯和活性炭，使石墨烯在活性炭中均匀分布，同时键合反应增强石墨烯和活性炭之间的连接。
所述石墨烯主要作用是增强活性炭的抗菌性能，能提活性炭滤芯材料的抗菌性能。
石墨烯是一种有碳原子按六边形排列而成的二维材料，氧化石墨烯在石墨烯的表层具有羧基，环氧基，羟基等含有基团修饰可以对细菌细胞膜进行切割，从而破坏细菌的细胞膜，导致胞内物质外流并杀死细菌。同时石墨烯可以通过对细菌细胞膜的插入，通过对细胞膜上抽取磷脂分子，来破坏细胞膜从而杀死细菌。此外，由于石墨烯优良的电子传输特性使得石墨烯能够轻易改变细菌膜表面的电位，从而使吸附在膜表面的细菌体内大量电子吸引到石墨烯表面而使细菌膜表面的电势失去稳态，引起膜表面细胞呼吸，电子传输，信号传输等功能混乱，导致细菌体内生化异常以致死亡。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明制备的复合滤芯具有高效抗菌、脱色、去味的功效，能有效去除水中的细菌、小分子有机物、重金属、余氯及其他放射性物质，并充分吸附水中的异色、异味，使水质甘甜可口。且该复合滤芯可有效抑制吸附于滤芯表面的细菌的生长，从而有效避免了二次污染的问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1.活性炭改性：
1.1称取椰壳活性炭100g于1l烧杯中，用去离子水冲洗、静置6小时，将上层杂质、灰分及清液倒掉，反复4-6次，将活性炭洗净，110-130℃下干燥10-14小时。
1.2配置十二烷基苯磺酸钠溶液(5％(质量分数))于250ml小烧杯中，将1中活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡2-3小时，滤出固体物质。
1.3滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
2.石墨烯活性炭制备：
2.1将氧化石墨烯((5％)质量分数)于250ml小烧杯中，将步骤1制得的改性活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡6-10小时，滤出固体物质。
2.2滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备石墨烯改性活性炭材料。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为1％。
实施例2
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1.活性炭改性：
1.1称取椰壳活性炭100g于1l烧杯中，用去离子水冲洗、静置6小时，将上层杂质、灰分及清液倒掉，反复4-6次，将活性炭洗净，110-130℃下干燥10-14小时。
1.2配置十二烷基苯磺酸钠溶液(1％(质量分数))于250ml小烧杯中，将1中活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡2-3小时，滤出固体物质。
1.3滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
2.石墨烯活性炭制备：
2.1将氧化石墨烯(10％)质量分数)于250ml小烧杯中，将步骤1制得的改性活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡6-10小时，滤出固体物质。
2.2滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备石墨烯改性活性炭材料。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为2％。
实施例3
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1.活性炭改性：
1.1称取椰壳活性炭100g于1l烧杯中，用去离子水冲洗、静置6小时，将上层杂质、灰分及清液倒掉，反复4-6次，将活性炭洗净，110-130℃下干燥10-14小时。
1.2配置十二烷基苯磺酸钠溶液(3％(质量分数))于250ml小烧杯中，将1中活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡2-3小时，滤出固体物质。
1.3滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
2.石墨烯活性炭制备：
2.1将氧化石墨烯(0.1％)质量分数)于250ml小烧杯中，将步骤1制得的改性活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡6-10小时，滤出固体物质。
2.2滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，110-130℃下干燥20-28小时，制备石墨烯改性活性炭材料。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.05％。
实施例4
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，包括以下步骤：
1.活性炭改性：
1.1称取椰壳活性炭100g于1l烧杯中，用去离子水冲洗、静置6小时，将上层杂质、灰分及清液倒掉，反复4-6次，将活性炭洗净，120℃下干燥12小时。
1.2配置十二烷基苯磺酸钠溶液(2％(质量分数))于250ml小烧杯中，将1中活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡2-3小时，滤出固体物质。
1.3滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，120℃下干燥24小时，制备获得接枝有磺酸钠基团的改性活性炭。
2.石墨烯活性炭制备：
2.1将氧化石墨烯(1％(质量分数))于250ml小烧杯中，将步骤1制得的改性活性炭加入到上述溶液中，搅拌均匀后浸泡6-10小时，滤出固体物质。
2.2滤出的固体用去离子水清洗3-5次后，120℃下干燥24小时，制备石墨烯改性活性炭材料。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.5％。
实施例5
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤2.1中，采用的石墨烯为阴离子改性石墨烯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.4％。
实施例6
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤2.1中，采用的石墨烯为氧化还原石墨烯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.2％。
实施例7
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤1.2中，采用的改性剂为甲基丙烯酸甲酯。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.25％。
实施例8
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤1.2中，采用的改性剂为有机硅。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.3％。
实施例9
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤1.1中，采用的活性炭为木质活性炭。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.4％。
实施例10
本实施例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，与实施例4基本相同，不同之处仅在于：步骤1.1中，采用的活性炭为煤质活性炭。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.4％。
对比例1
本对比例提供了一种石墨烯改性活性炭复合滤芯的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例中，不对活性炭进行改性，直接将活性炭在石墨烯溶液中浸泡。
所得复合滤芯中，石墨烯含量为0.1％。
效果验证：
将以上实施例和对比例制得的石墨烯改性活性炭复合滤芯对自来水进行过滤，过滤结果如表1所示。
表1
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。