一種s元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法，包括以下步驟：制備摻硫石墨烯氣凝膠、制備摻硫石墨烯氣凝膠紙電極、在三電極體系下通過紙電極對(duì)不同的鋁離子進(jìn)行吸附。本發(fā)明的有益效果是：摻硫石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無污染，以這些材料修飾的電極對(duì)于水中鋁離子的吸附效率高、速度快、操作簡便。
【專利說明】
一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法，屬于水處理和材 料合成領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 鋁是不是人體必需的微量元素，人們每天要從飲食中攝入約10-18毫克的鋁，其中 大部分經(jīng)消化道隨糞便排出，小部分腎、脾、肌肉、骨骼和腦組織內(nèi)蓄積。以往一直認(rèn)為鋁對(duì) 人體健康影響不大。但近老年性癡呆或精神異常患者，腦內(nèi)含鋁量比正常人高10-30倍。進(jìn) 一步的研究證實(shí)，食品中含鋁量過高，將導(dǎo)致人的早期衰老，鋁在腦中蓄積可引起大腦神經(jīng) 的退化，記憶力衰退，智力和性格也會(huì)受到影響，甚至呈現(xiàn)老年性癡呆。當(dāng)體內(nèi)鋁蓄積量超 過正常的5-16倍時(shí)，可抑制腸道對(duì)磷的吸收，干擾體內(nèi)正常的鈣、磷新陳代謝。因此有效地 去除水中的鋁離子成為了近期的熱門話題。
[0003] 目前鋁離子的處理方法有很多種，主要可以分為化學(xué)法、物理法、電解法、吸附法、 生物法等。其中，化學(xué)法主要包括化學(xué)沉淀法、氧化_還原法、鐵氧體法等;物理法主要包括 蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、膜分離法等。各種不同的處理方法各有利弊，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用 中往往是交叉聯(lián)合使用。電吸附相對(duì)于其他的水處理方法，具有無二次污染、能耗低、投資 少、使用壽命長和易再生等優(yōu)點(diǎn)，是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。因此，電吸附技術(shù)是一種具 有發(fā)展前途的水處理技術(shù)。
[0004] 用于電吸附的材料有活性碳、碳納米管等含碳材料。石墨烯是一種二維碳材料，是 單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統(tǒng)稱。由于其非同尋常的導(dǎo)電性能、良好的熱穩(wěn)定 性、機(jī)械性能以及光學(xué)性能，得到了大家的廣泛關(guān)注，并應(yīng)用于很多研究領(lǐng)域，像光子器件、 環(huán)境修復(fù)、生物技術(shù)、催化劑、新能源電池領(lǐng)域等。但是，在制備石墨烯的過程中，由于石墨 烯中存在的鍵和范德華力可能會(huì)導(dǎo)致它發(fā)生不可逆的聚集或者重新堆疊成石墨結(jié)構(gòu)， 這會(huì)影響了石墨的性能。而3D石墨烯就能有效地防止這一現(xiàn)象的發(fā)生。并且這一新型材 料一石墨烯水凝膠/氣凝膠，具有更大的比表面積，同時(shí)質(zhì)量輕、機(jī)械性能好、電子轉(zhuǎn)移率 尚。
[0005] 石墨烯氣凝膠的用途有很多，由于其優(yōu)越的物理性質(zhì)和化學(xué)性能，常用于超級(jí)電 容器、空氣凈化器等。本發(fā)明利用石墨烯氣凝膠的大比表面積以及高的電子轉(zhuǎn)移率用于去 除廢水中的重金屬離子鋁，不僅去除效果好同時(shí)成本低，無二次污染，為人類的身體健康提 供了保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是將S元素修飾石墨烯電極應(yīng)用于一個(gè)新的領(lǐng)域一電吸附水中鋁離 子中。將摻硫石墨烯氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的鋁離子。
[0007] 本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法，包括以下步驟：
[0008] a、制備摻硫石墨烯氣凝膠:將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10~30min 使其分散均勻。待其分散均勻后加入二硫蘇糖醇，攪拌使其分散均勻。然后將混合液在95°C 的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2~3天，然后冷凍干燥， 得到摻硫石墨稀氣凝膠材料；
[0009] b、制備摻硫石墨烯氣凝膠紙電極:將步驟a制得的摻硫石墨烯氣凝膠與預(yù)先配制 的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上， 冷凍干燥，得到摻硫石墨烯氣凝膠紙電極；
[0010] C、電化學(xué)法去除水中鋁離子:配制鋁離子溶液，量取鋁離子溶液置于電吸附容器 中，將步驟b中制得的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極對(duì)鋁離子進(jìn)行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附鋁離子實(shí) 驗(yàn)采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對(duì)電極，甘汞電極為參比電極。同時(shí) 使用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時(shí)，即各紙電極吸附達(dá)到平 衡。
[0011] 進(jìn)一步，步驟a中二硫蘇糖醇與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95°C，反應(yīng) 時(shí)間為2~4h。
[0012] 進(jìn)一步，步驟c中電吸附水中的離子為Al3+。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:摻硫石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無 污染，以這些材料修飾的電極對(duì)于水中重金屬離子的吸附效率較高、時(shí)間短、操作簡便，材 料的電吸附性能與以往材料相比也有了大幅的提升。
【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0015] 圖1為實(shí)施例一中制備的摻硫石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖）；
[0016] 圖2為實(shí)施例二中溶液中Al3+初始濃度對(duì)Al3+去除率的影響；
[0017] 圖3為實(shí)施例三中摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數(shù)的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是 對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[0019] 在本發(fā)明詳細(xì)敘述和實(shí)施例子中所示的鋁離子去除率是按下述方法測(cè)定的：
式中，分別表示Al3+的去除率、初始濃度、平衡濃度。
[0020] 實(shí)施例一：
[0021 ]制備摻硫石墨烯氣凝膠材料紙電極包括以下幾個(gè)步驟：
[0022] (1)將0.15g的氧化石墨稀(GO)超聲分散在lOOmL蒸餾水中，再加入0.45g的二硫蘇 糖醇，機(jī)械攪拌使其充分混合，然后將混合液在95°C的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束 后，將生成的產(chǎn)物沉浸于蒸餾水中2~3天，最后樣品在-52°C冷凍干燥24h，得摻硫石墨烯氣 凝膠。
[0023 ] (2)將9Omg步驟（1)制得的摻硫石墨稀氣凝膠材料加入2mL 4wt %的聚乙稀醇溶 液，超聲使復(fù)合材料在溶液里分散均勾。取〇. 16mL上述分散液均勾涂抹于35mm X 8mm的硬紙 片(厚400M1)上，于-5 2 °C冷凍干燥12h，制成摻硫石墨稀氣凝膠紙電極。
[0024] 實(shí)施例二：
[0025] 摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。
[0026] 將制備的摻氮石墨烯氣凝膠紙電極分別用于0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的Al3+溶液 的電化學(xué)處理，施加電壓為0.3V，處理時(shí)間為2min，Al 3+的去除率見圖2,可見摻氮石墨烯氣 凝膠材料對(duì)低濃度的Al3+溶液有較好的吸附效果。。
[0027] 實(shí)施例三：
[0028] 摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。
[0029] 對(duì)摻硫石墨烯氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗(yàn)。將摻硫石墨烯氣凝膠紙電極置 于80mL濃度為0.25mmol/L的Al3+溶液中，施加電位-0.3V，并記錄溶液電導(dǎo)率，2min后再次記 錄溶液的電導(dǎo)率，計(jì)算去除率。隨后撤去電位讓其脫附，連續(xù)循環(huán)多次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所 示。首次吸附Al 3+去除率為74.1%，在經(jīng)過30次的循環(huán)使用后電極對(duì)Al3+去除率為72.7%， 當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)電吸附去除率有較明顯的下降。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法，其特征在于:步驟如下： a、 制備摻硫石墨烯氣凝膠:將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10~30min使其 分散均勻。待其分散均勻后加入二硫蘇糖醇，攪拌使其分散均勻，然后將混合液在95°C的條 件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2~3天，然后冷凍干燥，得到 摻硫石墨稀氣凝膠材料； b、 制備摻硫石墨烯氣凝膠紙電極:將步驟a制得的摻硫石墨烯氣凝膠與預(yù)先配制的聚 乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取〇. 1~〇. 4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上，冷凍 干燥，得到摻硫石墨烯氣凝膠紙電極； c、 電化學(xué)法去除水中鋁離子:配制鋁離子溶液，量取鋁離子溶液置于電吸附容器中，將 步驟b中制得的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極對(duì)鋁離子進(jìn)行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附鋁離子實(shí)驗(yàn)采 用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對(duì)電極，甘汞電極為參比電極。同時(shí)使用 電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時(shí)，即摻硫石墨烯氣凝膠紙電極 吸附達(dá)到平衡； d、 脫附再生使用后的電極:對(duì)于達(dá)到吸附飽和的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極，撤去電極 上的電壓后，溶液的電導(dǎo)率恢復(fù)至接近初始值，實(shí)現(xiàn)電極的脫附再生。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鋁離子的方法，其特征是： 所述步驟a中二硫蘇糖醇與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95°C，反應(yīng)時(shí)間為2~ 4h〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種S元素修飾石墨烯電極去除水中鎂離子的方法，其特征是： 所述步驟c中電吸附水中的離子為Al3+。
【文檔編號(hào)】C02F1/469GK105984922SQ201610523848
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】魏永, 徐斕, 趙威, 廖旭, 崔文怡, 王鈺, 李如意, 呂曉港
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)