納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料及其制備方法與應(yīng)用，涉及空氣和水凈化技術(shù)。所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料以石墨烯為基體，基體上載有納米鐵和納米銀，按質(zhì)量百分比的原料組成如下：納米鐵20%～80%、納米銀1%～2.5%、石墨烯79%～17.5%。將含有可溶性的鐵化合物和可溶性的銀化合物配制為水溶液后，再加入氧化石墨烯粉體或者氧化石墨烯水溶液，攪拌，使得鐵離子和銀離子充分交換或者吸附在氧化石墨烯上，形成結(jié)合體，得負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯；將負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯過濾去除殘余溶液，清洗后，干燥，烘干；將烘干后的氧化石墨烯燒結(jié)后，隨爐冷卻，即得?？赏坎荚谄渌倪^濾介質(zhì)上使用。
【專利說明】納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣和水凈化技術(shù)，尤其是涉及一種納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨稀是由一層二維平面排列的碳原子組成的，其中碳原子以sp2雜化連接。由于石墨稀是由純的碳原子組成并具有整齊的晶體結(jié)構(gòu)，因此它具有很高的晶體質(zhì)量。到目前為止，在石墨稀中還沒有發(fā)現(xiàn)類似空位或者錯(cuò)位這樣的缺陷。首先由于石墨稀是單原子碳層，因此它具有極大的比表面積，其理論值可達(dá)2600m2/g ;石墨稀中碳原子之間的鍵能很大而且具有很好的柔朝性，這使其具有比鉆石更大的硬度，并且對(duì)其施加機(jī)械力時(shí)，其表面容易彎曲。通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料，改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子。這種特質(zhì)的石墨烯，就如同篩子一樣能快速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子。其優(yōu)異的吸附性能在空氣凈化及水凈化方面特別突出。
[0003]砷的自然來源，主要來自母巖或土壤母質(zhì)的風(fēng)化，地殼中砷的含量約1.8mg/kg;自然的土體中，砷含量范圍為0.2?40mg/kg，平均濃度為5mg/kg。海水中砷的含量平均濃度為3 μ g/L，每年流入海洋的砷量達(dá)1.5X10_7kg，估計(jì)海洋中砷的總重量達(dá)4.3X1012kg?；鹕絿姲l(fā)物中砷含量約20mg/kg。大氣中砷的主要來自土壤和植物體的釋出，估計(jì)每年從地表以蒸氣型態(tài)逸散至大氣中的砷，約有2.37X10Tkg。對(duì)人體而言，砷中毒之主要來源為水或食物。若攝入砷，人和動(dòng)物能將體內(nèi)的砷(III)氧化成砷(V )，或?qū)⑸?V )還原成砷
(III)，亦可將砷甲基化。無機(jī)砷的毒性大于有機(jī)砷，排出體外的速率也較慢；無機(jī)砷中又以砷(V )排出體外的速率較砷(III)快，因此無機(jī)砷在組織中的含量較高。又若直接攝入有機(jī)砷，則其在動(dòng)物體中通常經(jīng)過第一次代謝后，便會(huì)形成具有毒害作用的三價(jià)氧化砷、某些甲基砷化物，如二甲基砷或三甲基砷。若所攝入的砷型態(tài)為雙甲基砷時(shí)，則不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)砷。因此，若體內(nèi)的無機(jī)砷轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)砷，便能降低砷毒。此作用之進(jìn)行，由動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得知發(fā)生在肝臟。急性食入砷一般在30min內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)癥狀，但如果與食物一起攝入時(shí)也可能延遲幾小時(shí)后才出現(xiàn)癥狀?？赡茉诤粑凹S便中出現(xiàn)大蒜味、脫水、極度的口渴、嘔吐、腹瀉及液體-電解質(zhì)受影響是常見的。
[0004]福建師范大學(xué)閩南科技學(xué)院的周娟娟(《環(huán)境科學(xué)與管理》2012年第10期)報(bào)道活性炭/納米零價(jià)鐵復(fù)合吸附劑的制備及對(duì)砷的去除應(yīng)用，零價(jià)鐵能夠有效去除砷。
[0005]中國專利201210487617公開氫氧化鎂/石墨烯復(fù)合吸附材料及其制備方法與應(yīng)用，包括如下步驟:1)利用天然石墨，通過化學(xué)氧化方法制備氧化石墨烯；2)將氯化鎂溶液滴加到氧化石墨烯溶液中，攪拌I?3h，然后向其中加入與氯化鎂相同摩爾量的堿性溶液，繼續(xù)攪拌I?3h后，抽濾、洗滌、干燥后，得氫氧化鎂/氧化石墨烯復(fù)合材料；3)將步驟2)得到的氫氧化鎂/氧化石墨烯復(fù)合材料在水中超聲I?2h，向其中加入還原劑，在800W微波中還原反應(yīng)2?5min后，抽濾、洗滌、干燥后，得到氫氧化鎂/石墨烯復(fù)合吸附材料。
[0006]中國專利201210319477公開一種石墨烯基凈水材料及其制備方法和應(yīng)用，該方法和應(yīng)用包括:(I)在氧化石墨烯水溶液中加入硫脲，通過水熱的方法進(jìn)行自組裝成石墨烯海綿；(2)石墨烯海綿具有較好的機(jī)械性能，可裁切為不同形狀；(3)石墨烯海綿對(duì)染料、油類及有機(jī)溶劑具有很好的吸附性能同時(shí)表現(xiàn)出很好地循環(huán)性能；(4)石墨烯海綿的結(jié)構(gòu)可以通過改變氧化石墨烯的尺寸大小及硫脲的添加量進(jìn)行調(diào)控。
[0007]中國專利201210102662公開一種石墨烯基復(fù)合分離膜器件的制備方法。它包括以下步驟:1)將氧化石墨稀原料溶于去離子水，在超聲浴中處理，得到氧化石墨烯溶液；2)將氧化石墨稀溶液與堿混合在一定溫度下攪拌，再用去離子水洗滌，得到還原的氧化石墨烯分散液；3)將石墨烯分散液倒入墊好濾膜的抽濾瓶，抽濾，在真空烘箱中烘干得到石墨烯基復(fù)合分離膜；4)將石墨烯基復(fù)合分離膜置于過濾裝置中得到石墨烯基復(fù)合分離膜器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料及其制備方法與應(yīng)用。
[0009]所述納米鐵石墨稀復(fù)合凈化材料以石墨稀為基體，基體上載有納米鐵和納米銀，按質(zhì)量百分比的原料組成如下:納米鐵20%?80%、納米銀1%?2.5%、石墨烯79%?17.5%。
[0010]所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)將含有可溶性的鐵化合物和可溶性的銀化合物配制為水溶液后，再加入氧化石墨烯粉體或者氧化石墨烯水溶液，攪拌，使得鐵離子和銀離子充分交換或者吸附在氧化石墨烯上，形成結(jié)合體，得負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯；
[0012]2)將負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯過濾去除殘余溶液，清洗后，干燥，烘干；
[0013]3)將步驟2)烘干后的氧化石墨烯燒結(jié)后，隨爐冷卻，即得納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料。
[0014]在步驟I)中，所述攪拌可采用超聲波攪拌，攪拌時(shí)間可為2?IOh ;所述鐵離子:銀離子:氧化石墨烯的質(zhì)量比可為:(100?500): (I?5): (100?500)。
[0015]在步驟2)中，所述清洗的條件可為采用蒸餾水清洗至少I次至無殘留液；所述烘干的溫度可為110?150°c，烘干的時(shí)間可為2?4h。
[0016]在步驟3)中，所述燒結(jié)的方法可為:將步驟2)烘干后的氧化石墨烯放入反應(yīng)燒結(jié)爐中，在還原氣氛下，按照5?10°C /min的速度升溫，燒結(jié)溫度為300?600°C，保溫2?6h ;所述還原氣氛的氣體可選自氫氣、一氧化碳等中的一種。
[0017]本發(fā)明所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料，除了單獨(dú)使用外，還可以涂布在其他的過濾介質(zhì)上使用。
[0018]所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的應(yīng)用如下:
[0019]A.所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料在制備空氣或水凈化處理劑中的應(yīng)用，具體方法如下:將納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料配制為溶液，然后將其噴涂或者浸涂在過濾介質(zhì)上，烘干后，即得空氣或水凈化處理劑。
[0020]B.所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料在制備過濾介質(zhì)材料添加劑中的應(yīng)用，具體方法如下:將納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料添加到過濾介質(zhì)材料中，一起成型后再使用。
[0021]所述過濾介質(zhì)材料可選自PP無紡布、PE無紡布、PP熔噴濾芯、碳棒濾芯、過濾網(wǎng)、炭片、炭粉、陶瓷過濾網(wǎng)、過濾膜等中的至少一種，所述過濾膜可為微濾膜或超濾膜等。
[0022]樣品的去除鉛離子、砷離子的測試按照《GB5750-2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，樣品的抗菌性能測試依據(jù)Jis Z2801:2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。
[0023]有利石墨烯特殊的吸附性能，其表面積達(dá)到2600m2/g，以及納米鐵粒子的優(yōu)異的砷能力，而獲得一種新型的凈化材料，其對(duì)有機(jī)物及砷、鉛等有毒重金屬離子去除非常有效。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0025]1、高效、快速去除水中有機(jī)污染物、消毒副產(chǎn)物以及鉛離子、砷離子等重金屬離子，甲基藍(lán)的去除率可達(dá)到85%，通過標(biāo)準(zhǔn)加標(biāo)測試，鉛離子去除率達(dá)到98%，砷離子去除率99.5%。
[0026]2、具有殺菌和抑菌功能，能夠有效殺菌，金色葡萄菌的去除率達(dá)到99.9%。
【具體實(shí)施方式】
[0027]實(shí)施例1
[0028]1)將20g三氯化鐵和0.1g硝酸銀溶于20mL水中配制為水溶液,再將50g氧化石墨烯粉體加入上述的含鐵離子和銀離子的水溶液中，常溫下超聲波攪拌，攪拌時(shí)間為2h，使得鐵離子和銀離子充分交換或者吸附在氧化石墨烯上，形成結(jié)合體。
[0029]2)將上述負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯過濾去除殘余溶液，再采用蒸餾水清洗3次無殘留液后，進(jìn)行預(yù)干燥，在110°C溫度下烘干4h。
[0030]3)將烘干后的氧化石墨烯放入反應(yīng)燒結(jié)爐中，在氫氣還原氣氛下，按照5°C /min的速度升溫，燒結(jié)溫度為600°C，保溫2h后隨爐冷卻，即獲得載有納米鐵、納米銀粒子的石墨烯復(fù)合凈化材料。
[0031]納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的應(yīng)用如下:
[0032]稱重5g載有納米鐵、納米銀的石墨烯凈化材料配制為溶液，經(jīng)超聲波分散后，將其浸涂在PP無紡布上，然后進(jìn)行烘干，即獲得直接使用的凈化材料，使用時(shí)將涂布納米鐵、納米銀的石墨烯凈化材料包覆在活性炭濾芯內(nèi)外表面，厚度為包覆2~4層。
[0033]將改性后的活性炭濾芯進(jìn)行加標(biāo)測試，鉛離子、砷離子的去除測試方法按照《GB5750-2006生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，涂布有納米鐵、納米銀的石墨烯凈層的PP無紡布的抗菌性能測試依據(jù)JIS Z2801:2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，結(jié)果參見表1和2。
[0034]1、通過標(biāo)準(zhǔn)加標(biāo)測試,鉛離子去除率達(dá)到98%，砷離子去除率99.5%。
[0035]2、具有殺菌和抑菌功能，能夠有效的殺菌，金色葡萄菌的去除率達(dá)到99.9%。
[0036]表1
[0037]
【權(quán)利要求】
1.納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料，其特征在于以石墨烯為基體，基體上載有納米鐵和納米銀，按質(zhì)量百分比的原料組成如下:納米鐵20%?80%、納米銀1%?2.5%、石墨烯79%?17.5%。
2.如權(quán)利要求1所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將含有可溶性的鐵化合物和可溶性的銀化合物配制為水溶液后，再加入氧化石墨烯粉體或者氧化石墨烯水溶液，攪拌，使得鐵離子和銀離子充分交換或者吸附在氧化石墨烯上，形成結(jié)合體，得負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯； 2)將負(fù)載鐵和銀離子的氧化石墨烯過濾去除殘余溶液，清洗后，干燥，烘干； 3)將步驟2)烘干后的氧化石墨烯燒結(jié)后，隨爐冷卻，即得納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料。
3.如權(quán)利要求2所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述攪拌采用超聲波攪拌，攪拌時(shí)間為2?10h。
4.如權(quán)利要求2所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于在步驟I)中，所述鐵離子:銀離子:氧化石墨烯的質(zhì)量比為:(100?500): (I?5): (100?500)。
5.如權(quán)利要求2所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述清洗的條件為采用蒸餾水清洗至少I次至無殘留液。
6.如權(quán)利要求2所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述烘干的溫度為110?150°C，烘干的時(shí)間為2?4h。
7.如權(quán)利要求2所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述燒結(jié)的方法為:將步驟2)烘干后的氧化石墨烯放入反應(yīng)燒結(jié)爐中，在還原氣氛下，按照5?10°C /min的速度升溫，燒結(jié)溫度為300?600°C，保溫2?6h。
8.如權(quán)利要求7所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料的制備方法，其特征在于所述還原氣氛的氣體選自氫氣、一氧化碳中的一種。
9.如權(quán)利要求1所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料在制備空氣或水凈化處理劑中的應(yīng)用，所述應(yīng)用的具體方法可為:將納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料配制為溶液，然后將其噴涂或者浸涂在過濾介質(zhì)上，烘干后，即得空氣或水凈化處理劑。
10.如權(quán)利要求1所述納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料在制備過濾介質(zhì)材料添加劑中的應(yīng)用，所述應(yīng)用的具體方法可為:將納米鐵石墨烯復(fù)合凈化材料添加到過濾介質(zhì)材料中，一起成型后再使用；所述過濾介質(zhì)材料可選自PP無紡布、PE無紡布、PP熔噴濾芯、碳棒濾芯、過濾網(wǎng)、炭片、炭粉、陶瓷過濾網(wǎng)、過濾膜中的至少一種，所述過濾膜可為微濾膜或超濾膜。
【文檔編號(hào)】B01J20/30GK103480332SQ201310418677
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】余水, 張恩瑞, 莊友加, 李明仁 申請(qǐng)人:廈門建霖工業(yè)有限公司