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CN111036176A - 磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料及其制备方法 - Google Patents

磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN111036176A
CN111036176A CN201811188703.6A CN201811188703A CN111036176A CN 111036176 A CN111036176 A CN 111036176A CN 201811188703 A CN201811188703 A CN 201811188703A CN 111036176 A CN111036176 A CN 111036176A
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CN
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graphene oxide
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sodium
magnetic graphene
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林雪梅
徐志尧
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Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素复合材料及其制备方法。所述方法先采用化学共沉淀法制备磁性氧化石墨烯,再将其与羧甲基纤维素钠、海藻酸钠采用离子交换法制备磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料。本发明的复合材料含有丰富的活性官能团,能与重金属离子产生较强的配位作用,提高复合材料对重金属离子的吸附性能,其最大吸附量为92.6mg/g,适用于重金属离子吸附处理。

Description

磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料及其制备方法,属于吸附材料制备技术领域。
背景技术
传统的吸附剂例如活性炭、树脂、生物类吸附剂由于本身孔道小,对于一些大分子有机污染物,孔阻滞效应导致孔道堵塞,减小吸附量。同时,这类吸附剂吸附成本高、吸附效果差、再生效率低,制约其进一步应用。
纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、大豆蛋白等是石墨烯/天然高分子吸附剂常用的有机材料。这些天然高分子广泛存在于自然界中,价格低廉,表面含有丰富的含氧官能团,具有出色的亲水性和生物相容性。例如,将氧化石墨烯复合在纤维素纳米纤丝表面制得的石墨烯/天然高分子复合吸附剂具有出色的生物相容性和再生能力。石墨烯/海藻酸复合吸附剂具有出色的亲水能力和对染料污染物的亲合力。而以石墨烯为基质,复合天然高分子大豆蛋白的吸附剂,具有出色的亲水性能,并含有丰富的活性官能团,可以用于抗生素的处理。
目前,石墨烯/有机物复合吸附剂在水处理的应用己经有了一定的进展,但在以下几个重要方面仍缺少相应的关注。
1)优化有机物与石墨烯的复合比例
有机物与石墨烯的复合比例影响着复合吸附剂的性能和成本。在复合吸附剂中,石墨烯起着主要的吸附作用。石墨烯超过一定的比例,其层间会发生重叠,造成材料的浪费。有机物的比例影响着吸附剂的结构稳定性、亲水性、生物相容性等,其相对石墨烯较低的价格,也可以降低复合吸附剂的成本。
2)提升材料与污染物接触效果和吸附速率
石墨烯/有机物复合吸附剂与分散态吸附剂相比,具有易分离再生的优势,但宏观体的存在也限制了其在水中与污染物的接触效率,降低了吸附速率。如何通过改进复合吸附剂的结构、修饰官能团等手段,有效提升石墨烯/有机物复合吸附剂与水中污染物的接触效果,缩短平衡吸附时间,是复合吸附剂实际处理能力提升的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料及其制备方法。该方法将羧甲基纤维素钠、海藻酸钠与磁性氧化石墨烯相结合,制备成磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料,该复合材料在维持良好的机械性能的同时保持高效的吸附效果,并能够磁性分离回收利。
实现本发明目的的技术方案如下:
磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的制备方法,具体步骤如下:
步骤1,将三氯化铁和氯化亚铁加入氧化石墨烯分散液中,搅拌混合均匀,调节pH至9.5±0.5,室温下反应,得到磁性氧化石墨烯;
步骤2,按磁性氧化石墨烯、海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的质量比为1~5:10:5~10,将海藻酸钠和羧甲基纤维素钠超声溶于磁性氧化石墨烯分散液中,搅拌混合均匀,将混合溶液滴入质量分数为5±2%的氯化钙溶液中,室温下浸泡,水洗,干燥得到磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料。
优选地,步骤1和2中,搅拌速度为800~1000rpm。
优选地,步骤1中,所述的三氯化铁和氯化亚铁的摩尔比为2:1。
优选地,步骤1中,所述的反应时间为20~24h。
优选地,步骤2中,所述的磁性氧化石墨烯、海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的质量比为3:10:5。
本发明还提供上述制备方法制得的磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料。
进一步地,本发明提供上述磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料在重金属离子吸附中的应用,具体应用方法为:将含重金属离子废水的pH调节至3~10,加入磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料进行吸附。
优选地,所述的重金属离子为Cu2+
优选地,所述的含重金属离子废水的pH为7。
优选地,所述的吸附时间为2~4h。
本发明通过聚合反应制备出磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料。磁性氧化石墨烯表面含有丰富的活性官能团如羰基、羟基,羧基等,易溶于水和多种溶剂,可以吸附阳离子,也可以分离回收。海藻酸钠具有生物相容性好、来源广泛、低毒性、价格低廉、可生物降解等特点,其结构中的古洛糖醛酸可交联二价金属离子(如Cu2+)。羧甲基纤维素钠分子链中含有大量的羧基和羟基,能与重金属离子产生较强的配位作用,提高复合材料对Cu2+的吸附性能。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料表面含有大量的活性吸附位点,具有较大的比表面积和适宜的孔结构,吸附过程中性质稳定,具有良好的机械强度,并可以循环利用,可以作为吸附剂应用于重金属离子吸附领域。
附图说明
图1为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料合成图。
图2为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料实物图。
图3为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的SEM图。
图4为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠与氧化石墨烯/海藻酸钠的TG图。
图5为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠和Fe3O4的VSM图。
图6为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的XPS全谱图
图7为溶液初始pH值对实施例1制得的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料吸附铜离子的吸附量影响结果图。
图8为吸附时间对实施例1制得的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料吸附铜离子的吸附量影响结果图。
图9为吸附时间对实施例1制得的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的重复利用实验结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
对比例1
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取1g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和1g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为38.8mg/g。
对比例2
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取0.1g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和0.1g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为73.1mg/g。
对比例3
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取0.3g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和0.1g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为76.3mg/g。
对比例4
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取0.3g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和1g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为78.4mg/g。
实施例1
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取0.3g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和0.5g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为92.6mg/g。
实施例2
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至PH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取0.1g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和0.5g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为88.4mg/g。
实施例3
(1)磁性氧化石墨烯的制备:将1.0g合成的氧化石墨烯超声分散于100mL超纯水中。在氮气保护下,将1.3gFeCl3、0.5g FeCl2(摩尔比为2:1)溶于100mL超纯水中,快速加入25%的氨水至pH=10。混合液在高温条件下搅拌1h。冷却至室温,用超纯水和无水乙醇分别洗涤三次,真空干燥12h。
(2)磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的制备:取1g磁性氧化石墨烯加入到装有100ml超纯水的烧杯中,超声分散2h,将质量为1g的海藻酸钠和0.5g羧甲基纤维素钠加到超声分散均匀的磁性氧化石墨烯水溶液中,匀速搅拌1h,将混合溶液滴入5%质量分数的氯化钙溶液中,浸泡24h,用去离子水洗涤3次,冷冻干燥。
(3)复合材料对重金属离子的吸附:25℃下,将4g性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料,加入到100mL的pH为7,浓度为100mg/L的Cu2+重金属离子溶液中,搅拌吸附2.5h。用紫外-可见分光光度计检测吸附后的溶液中重金属离子溶液浓度,计算复合材料对重金属离子的吸附率。结果表明,氧化石墨烯/聚乙烯亚胺/羧甲基纤维素对Cu2+的吸附量为85.7mg/g。
表 不同原料配比下的最大吸附量
名称 组分质量比 Cu<sup>2+</sup>吸附量mg/g
对比例1 10:10:10 38.8
对比例2 1:10:1 73.1
对比例3 3:10:1 76.3
对比例4 3:10:10 78.4
实施例1 3:10:5 92.6
实施例2 1:10:5 88.4
实施例3 10:10:5 85.7
图1为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料合成图。
图2为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的实物图。通过外加磁场就可以将吸附材料聚集起来,回收简单快捷。
图3为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的SEM,可以明显看出,从A可以看出,混合物表面的褶皱很多。从B中可以看到样品的表面形貌不规整,有许多白色粒子聚合而成,表明Fe3O4已经成功复合。C是复合材料球体表面的局部放大图,球体表面不光滑有大量的皱褶和一定的孔道结构,污染物分子能够通过胶珠表面孔结构渗透到内部,有利于对污染物分子的进一步吸附。D是球体的内部截面图,由图可知,胶珠内部呈现复杂的网络结构,多孔结构非常明显,拥有大的比表面积。
图4为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠与氧化石墨烯/海藻酸钠的热重曲线。磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠热重曲线如图a所示,受热分解主要分为3个阶段。200℃失重分别为8.7%,这是由于微球表面的水分子以及物理结合的水分子的挥发引起的;200~300℃之间的失重是由于含氧官能团分解产生CO,CO2及微球中羟基及羧基脱水、部分羧甲基纤维素钠分解为中间产物造成的;300-450℃的质量损失对应中间产物的进一步分解以及脱羧放出CO2,产物部分碳化。在550℃的还有残留,这是由于磁性氧化石墨烯良好的热稳定性,以及较强的分子间相互作用而产生的结果。氧化石墨烯/海藻酸钠的热重曲线如图b所示,在300℃范围内,失重率约为40%,明显大于磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的失重率。热稳定性能的提高主要归因于羧甲基纤维素钠的引入使三组分间形成更大的网络,从而提高了材料的热稳定性。
图5为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠和Fe3O4的VSM图。图中a是Fe3O4的磁滞曲线,b是磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的磁滞曲线。如图所示,磁滞曲线呈典型的S型,该磁性复合材料的磁饱和强度为16.8emu/g。磁滞回线过原点,且以原点为中心,几乎没有剩磁现象,表明氧化石墨烯/磁性壳聚糖具有优良的磁性能。
图6为磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠的XPS全谱图。在C1s、N1s和O1s的特征峰分别在285ev,400ev和532ev结合能处。
图7为溶液初始pH值对复合材料吸附铜离子的吸附量的影响结果图,当pH=7时,吸附量达到最大。
图8为吸附时间对复合材料对铜离子的吸附量的影响结果图,可知复合材料对铅离子的吸附约在120min后达到平衡。
图9为吸附时间对实施例1制得的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的重复利用实验结果图。显然,经过三次重复实验后,吸附量分别下降了6.7mg/g,15.9mg/g,22.3mg/g。这可能是因为复合材料的表面含有很多负电性羧基活性位点,并且羧基负离子与铜离子之间是物理吸附作用,吸附所需的活化能很低且是可逆的。
磁性氧化石墨烯,海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的复合,一方面使材料获得了三维空间结构,另一方面进一步增加了功能官能团的数量和吸附活性点。此外,复合材料的稳定性有所提升,显著提高了复合材料对重金属离子的吸附效果,并且稳定性的提升,使得本发明的复合材料使用稳定,适用环境更为广泛,能够应用于重金属吸附处理。

Claims (10)

1.磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
步骤1,将三氯化铁和氯化亚铁加入氧化石墨烯分散液中,搅拌混合均匀,调节pH至9.5±0.5,室温下反应,得到磁性氧化石墨烯;
步骤2,按磁性氧化石墨烯、海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的质量比为1~5:10:5~10,将海藻酸钠和羧甲基纤维素钠超声溶于磁性氧化石墨烯分散液中,搅拌混合均匀,将混合溶液滴入质量分数为5±2%的氯化钙溶液中,室温下浸泡,水洗,干燥得到磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1和2中,搅拌速度为800~1000rpm。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述的三氯化铁和氯化亚铁的摩尔比为2:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述的反应时间为20~24h。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述的磁性氧化石墨烯、海藻酸钠和羧甲基纤维素钠的质量比为3:10:5。
6.根据权利要求1至5任一所述的制得的磁性氧化石墨烯/羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合材料。
7.根据权利要求6所述的磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料在重金属离子吸附中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于,具体应用方法为:将含重金属离子废水的pH调节至3~10,加入磁性氧化石墨烯/海藻酸钠/羧甲基纤维素钠复合材料进行吸附。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述的重金属离子为Cu2+
10.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述的含重金属离子废水的pH为7,所述的吸附时间为2~4h。
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