基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于四氧化三鐵和石墨烯的復(fù)合磁吸附劑及其制備方法，所述基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，其中，氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為1：1—8：1。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)易、原料價(jià)格低廉，產(chǎn)品綠色無(wú)毒、可批量生產(chǎn)、具有高吸附性能又具有超順磁性,能夠高效地吸附重金屬離子等污染物，并通過外磁場(chǎng)操控進(jìn)行快速分離。
【專利說(shuō)明】基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球化的發(fā)展，重金屬對(duì)水體的污染已經(jīng)引起了全世界的廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒卸拘愿?、容易擴(kuò)散給人類的生存帶來(lái)了很大的威脅。由于工業(yè)的飛速進(jìn)步，許多行業(yè)例如皮革制造、冶金、電池生產(chǎn)，電鍍等產(chǎn)生的大量廢水中含有多種有毒重金屬離子。吸附作為一種傳統(tǒng)去除水體污染的方法有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，如低成本、PH值范圍寬、操作簡(jiǎn)便等。然而，傳統(tǒng)的吸附劑對(duì)重金屬離子吸附效果并不理想，且分離工藝較復(fù)雜，容易引入二次污染，循環(huán)利用效率低。
[0003]通過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)，超大比表面積的二維石墨烯材料能夠快速、高效地吸附有機(jī)染料、油污和重金屬離子，然而吸附后的分離需要依賴于離心或沉淀，不僅工藝復(fù)雜，成本高，非常費(fèi)時(shí)。四氧化三鐵納米顆粒均勻、分散地綁定在石墨烯表面的復(fù)合磁性吸附劑不僅擁有石墨烯的高吸附性能，而且具有四氧化三鐵納米顆粒的超順磁性，既能夠高效地吸附重金屬離子等污染物，又能夠快速響應(yīng)外部磁場(chǎng)的調(diào)控分離，有望在工業(yè)廢水、江河、海洋等的重金屬離子的凈化處理方面有直接的應(yīng)用價(jià)值。
[0004]然而到目前為止，沒有報(bào)道討論四氧化三鐵和石墨烯復(fù)合材料對(duì)重金屬?gòu)U水吸附凈化處理的應(yīng)用功能，其復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方案也沒有被報(bào)道。
[0005]目前缺乏一種強(qiáng)磁性和高吸附功能的吸附劑及其制備方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種強(qiáng)磁性和高吸附功能的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑及其制備方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，其中，氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為1:1-8:1。
[0008]進(jìn)一步地，所述氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1。
[0009]進(jìn)一步地,所述氧化石墨烯為80mg ;所述四氧化三鐵為10_80mg,所述氧化石墨烯為粉末狀。
[0010]制備所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的方法，包括如下步驟:
[0011](I)按照配比分別稱量氧化石墨烯和四氧化三鐵；將氧化石墨烯加入去離子水中配置水溶液，并在常溫下磁力攪拌均勻；
[0012](2)加入四氧化三鐵，分別得到氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為1:1-8:1的混合溶液，經(jīng)過超聲充分混合分散后，倒入反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，逐步升溫，加熱至溫度為180-2000C，保持溫度穩(wěn)定，反應(yīng)2-3h，得到產(chǎn)物；
[0013](3)得到產(chǎn)物用去離子水和酒精進(jìn)行洗滌，在溫度為50_60°C時(shí)，真空干燥24h，制得基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑。
[0014]進(jìn)一步地，在步驟(I)中，稱量氧化石墨烯80mg加入去離子水中配置40ml水溶液，并在常溫下磁力攪拌2-3h ;在步驟(2)中，加入10-80mg四氧化三鐵，經(jīng)過l_2h超聲充分混合分散后，升溫速率為5-10°C /min。
[0015]進(jìn)一步地，在步驟(I)中，所述磁力攪拌使用的設(shè)備為六聯(lián)磁力攪拌器；所述超聲混合使用的設(shè)備為KH-200KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器。
[0016]本發(fā)明所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑作為吸附重金屬的應(yīng)用。
[0017]有益效果:本發(fā)明工藝簡(jiǎn)易、原料價(jià)格低廉，產(chǎn)品綠色無(wú)毒、可批量生產(chǎn)、具有高吸附性能又具有超順磁性，能夠高效地吸附重金屬離子等污染物，并通過外磁場(chǎng)操控進(jìn)行快速分離。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)四氧化三鐵和石墨烯復(fù)合的磁性可分離吸附劑具有很強(qiáng)的吸附重金屬離子以及有機(jī)染料的能力，并且能夠快速的通過外部磁場(chǎng)將其從水體中分離。其在多個(gè)方面有潛在的應(yīng)用:用此復(fù)合物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吸附劑可以有更好的吸附效果。
[0019](2)本發(fā)明使用水熱法，水熱法具有工藝簡(jiǎn)單，可批量化，條件易控制，重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)。在水熱還原氧化石墨烯的過程中，實(shí)現(xiàn)了四氧化三鐵的并入，同時(shí)通過組分的控制，實(shí)現(xiàn)了四氧化三鐵在石墨烯中的單分散地嵌入式復(fù)合，這樣的結(jié)構(gòu)能有效地阻止四氧化三鐵的氧化和腐蝕，同時(shí)增加了比表面積，更有利于吸附污染物分子。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的四氧化三鐵和石墨烯復(fù)合磁分離吸附劑的掃描電鏡照片；
[0021]圖2是本發(fā)明吸附重金屬鉻離子前與吸附劑混合的數(shù)碼照片；
[0022]圖3是本發(fā)明吸附重金屬鉻離子磁分離后的數(shù)碼照片。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面將通過結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的具體描述，但不能理解為是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
[0024]實(shí)施例1
[0025](I)制備形貌均一的四氧化三鐵納米顆粒。首先取1.3g的六水三氯化鐵和40ml的乙二醇混合，再加入3.5g的無(wú)水醋酸鈉以及Ig的聚乙二醇在室溫下磁力攪拌40min。隨后將土黃色的混合物超聲lOmin，倒入反應(yīng)釜，放入烘箱180°C反應(yīng)12h。自然冷卻后，用酒精和去離子水反復(fù)沖洗，利用磁鐵吸出磁性的四氧化三鐵產(chǎn)物，放入真空干燥箱50°C烘5h，得到黑色四氧化三鐵納米球粉末。
[0026](2)制備氧化石墨烯。取0.5g鱗片狀石墨，30ml濃硫酸(濃度為98% )，3g高錳酸鉀，0.5g硝酸鈉放入冷凍箱中，溫度為O - 5°C時(shí)，冷卻4h。然后，將它們按石墨、硝酸鈉、高錳酸鉀的順序先后加入反應(yīng)釜內(nèi)膽，最后緩慢加入濃硫酸。接著迅速蓋緊，并在封口處纏一圈保鮮膜，繼續(xù)放入冷凍箱(O - 5°C )冷卻1.5h。隨后，將反應(yīng)釜放入烘箱，保持90°C反應(yīng)2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物倒入60ml的去離子水中，攪拌2h，充分洗滌、稀釋。然后逐滴加入雙氧水(濃度為30% )，同時(shí)伴隨劇烈的機(jī)械攪拌，直至溶液變?yōu)橥咙S色后，密封靜置2h。隨后，移除上層溶液，將沉淀的黃泥漿用稀鹽酸，稀鹽酸的濃度為10%和去離子水先后稀釋、離心、洗滌數(shù)遍，直至溶液PH>5。最后在50°C真空干燥箱中烘干48h，得到氧化石墨烯粉末。
[0027]如圖1所示，圖1只是展現(xiàn)復(fù)合樣品的微觀形貌。圖1為掃描電鏡照片顯示四氧化三鐵納米球均勻分散在石墨烯上，形貌和尺寸較均一，形成了復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0028]本發(fā)明的一種基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，所述氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:I。此時(shí)本發(fā)明擁有最好的吸附能力，也擁有較大的磁性，利于磁性分離。氧化石墨烯與四氧化三鐵混合時(shí)要均勻，升溫速率不能過快，物質(zhì)比例要嚴(yán)格控制，這樣才能得到嵌入式的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而不是大量堆積在表面，嵌入式復(fù)合結(jié)構(gòu)才能真正有效地保護(hù)四氧化三鐵不易被氧化，并能有效地阻止四氧化三鐵在酸性條件下發(fā)生腐蝕。
[0029]所述氧化石墨烯為80mg ;所述四氧化三鐵為20mg。所述氧化石墨烯為粉末狀。
[0030]制備所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的方法，包括如下步驟:
[0031](I)按照配比分別稱量氧化石墨烯和四氧化三鐵；將氧化石墨烯80mg加入去離子水中配置40ml水溶液，并在常溫下磁力攪拌2h ；
[0032](2)加入四氧化三鐵20mg，分別得到氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1的混合溶液，經(jīng)過超聲充分混合分散后，倒入反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，逐步升溫，升溫速率為5°C /min。加熱至溫度為180°C，保持溫度穩(wěn)定，反應(yīng)2h，得到產(chǎn)物；
[0033](3)得到產(chǎn)物用去離子水和酒精進(jìn)行洗滌，在溫度為50°C時(shí)，真空干燥24h，制得基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑。
[0034]所述磁力攪拌使用的設(shè)備為六聯(lián)磁力攪拌器；所述超聲混合使用的設(shè)備為KH-200KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器。
[0035]本發(fā)明的四氧化三鐵的尺寸、分散密度和均勻性直接影響著復(fù)合材料的吸附性能和磁性，因此上述生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、原料摩爾比等實(shí)驗(yàn)條件需要嚴(yán)格控制。
[0036]實(shí)施例2
[0037]實(shí)施例2與實(shí)施例1的區(qū)別在于:基于四氧化二鐵和石墨稀的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，其中，氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為1:1。
[0038]所述氧化石墨烯為80mg ;所述四氧化三鐵為80mg。
[0039]制備所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的方法，包括如下步驟:
[0040](I)分別稱量氧化石墨烯和四氧化三鐵；將氧化石墨烯80mg加入去離子水中配置40ml水溶液,并在常溫下磁力攪拌2.5h ；
[0041](2)加入四氧化三鐵80mg，分別得到氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1的混合溶液，經(jīng)過超聲充分混合分散后，倒入反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，逐步升溫，升溫速率為8°C /min。加熱至溫度為190°C，保持溫度穩(wěn)定，反應(yīng)2.5h，得到產(chǎn)物；
[0042](3)得到產(chǎn)物用去離子水和酒精進(jìn)行洗滌，在溫度為55°C時(shí)，真空干燥24h，制得基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑。
[0043]實(shí)施例3
[0044]實(shí)施例3與實(shí)施例1的區(qū)別在于:本發(fā)明的一種基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附齊U，基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，其中，氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為8:1。
[0045]所述氧化石墨烯為80mg ;所述四氧化三鐵為10mg。
[0046]制備所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的方法，包括如下步驟:
[0047](I)分別稱量氧化石墨烯和四氧化三鐵；將氧化石墨烯80mg加入去離子水中配置40ml水溶液,并在常溫下磁力攪拌3h ；
[0048](2)加入四氧化三鐵10mg，分別得到氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1的混合溶液，經(jīng)過超聲充分混合分散后，倒入反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，逐步升溫，升溫速率為10°c /min。加熱至溫度為200°C，保持溫度穩(wěn)定，反應(yīng)3h，得到產(chǎn)物；
[0049](3)得到產(chǎn)物用去離子水和酒精進(jìn)行洗滌，在溫度為60°C時(shí)，真空干燥24h，制得基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑。
[0050]試驗(yàn)I
[0051]將實(shí)施例1中基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑用在實(shí)驗(yàn)I中，演示實(shí)驗(yàn)中我們配制了 0.072mol/l重鉻酸鉀的水溶液，即Cr ( VI)離子濃度為15mg/l，采用以上方案獲得的石墨烯和四氧化三鐵復(fù)合吸附劑10mg加入配制的Cr(VI)離子水溶液中，其中石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1的樣品展現(xiàn)最佳的吸附效果，Cr(VI)離子去除率達(dá)到95%，而且其具有穩(wěn)定的磁性，在一塊磁鐵的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)快遞的磁分離。
[0052]如圖2和圖3所示，是吸附前，重鉻酸鉀溶液是黃色的，加入吸附劑后變?yōu)楹稚臏啙嵋?；吸附磁分離完成后，變?yōu)槌吻逋该鞯乃芤骸?br> [0053]根據(jù)以上試驗(yàn)可以證明，以本發(fā)明的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，本發(fā)明既具有高吸附性能又具有超順磁性，能夠高效地吸附重鉻酸鉀的水溶液等重金屬離子污染物，并能夠通過外磁場(chǎng)操控進(jìn)行快速分離。
[0054]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書、說(shuō)明書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，其特征在于:基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑由氧化石墨烯和四氧化三鐵兩種組分組成，其中，氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為 1:1-8:1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，其特征在于:所述氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為4:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑，其特征在于:所述氧化石墨烯為SOmg ;所述四氧化三鐵為10-80mg，所述四氧化三鐵為粉末狀。
4.制備權(quán)利要求1所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)按照配比分別稱量氧化石墨烯和四氧化三鐵；將氧化石墨烯加入去離子水中配置水溶液，并在常溫下磁力攪拌均勻； (2)加入四氧化三鐵，分別得到氧化石墨烯與四氧化三鐵質(zhì)量比為1:1-8:1的混合溶液，經(jīng)過超聲充分混合分散后，倒入反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)，逐步升溫，加熱至溫度為180-2000C，保持溫度穩(wěn)定，反應(yīng)2 — 3h，得到產(chǎn)物； (3)得到產(chǎn)物用去離子水和酒精進(jìn)行洗滌，在溫度為50-60°C時(shí)，真空干燥24h，制得基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑。
5.權(quán)利要求4所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的制備方法，其特征在于:在步驟(I)中，稱量氧化石墨烯80mg加入去離子水中配置40ml水溶液，并在常溫下磁力攪拌2-3h ;在步驟(2)中，加入10-80mg四氧化三鐵，經(jīng)過l_2h超聲充分混合分散后，升溫速率為 5-10。。/min。
6.權(quán)利要求5所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑的制備方法，其特征在于:在步驟(I)中，所述磁力攪拌使用的設(shè)備為六聯(lián)磁力攪拌器；所述超聲混合使用的設(shè)備為KH-200KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器。
7.權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的基于四氧化三鐵和石墨烯的吸附劑作為吸附重金屬的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C02F1/62GK104258810SQ201410512998
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】許小勇, 周鋼, 馮兵, 朱文昌, 胡經(jīng)國(guó) 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)