纳米复合材料及其制备方法和在水处理中的应用

　　申请日2016.12.02

　　公开(公告)日2017.03.22

　　IPC分类号B01J20/20; B01J20/28; B01J20/30; C02F1/28; C02F101/20

　　摘要

　　本发明提供一种纳米复合材料及其制备方法和在水处理中的应用。本发明提供的纳米复合材料包括基体和负载于所述基体表面的纳米粒子，所述基体包括石墨烯和石墨烯衍生物中的一种或多种，所述纳米粒子包括Fe3O4和Mg(OH)2。本发明以基体材料为基体，通过负载的Fe3O4磁性纳米粒子使纳米复合材料具有磁性，易于分离，同时增大纳米复合材料的饱和吸附容量，通过负载Mg(OH)2纳米粒子高效吸附重金属离子。本发明提供的纳米复合材料对于初始浓度为50ppm的Pb2+，Cu2+，Ag+及Zn2+在90min内的去除率可分别达到99.9%，99.9%，88%和85%。

　　摘要附图

　　权利要求书

　　1.一种纳米复合材料，包括基体和负载于所述基体表面的纳米粒子，所述基体包括石墨烯和石墨烯衍生物中的一种或多种，所述纳米粒子包括Fe3O4和Mg(OH)2。

　　2.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米粒子的负载量为纳米复合材料质量的90～99%。

　　3.根据权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米粒子的粒径为3～100nm。

　　4.根据权利要求1或2所述的纳米复合材料，其特征在于，所述Fe3O4和Mg(OH)2的摩尔比为0.1～10:1。

　　5.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述基体的厚度为1～10nm。

　　6.权利要求1～5任意一项所述纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

　　(1)将基体材料与水溶性二价铁盐、水溶性三价铁盐、水溶性镁盐和水混合，得到混合溶液;

　　(2)向所述步骤(1)得到的混合溶液中滴加碱液，沉淀反应得到纳米复合材料。

　　7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的混合溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1:2。

　　8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中沉淀反应的温度为50～100℃，沉淀反应的时间为2～24h。

　　9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的碱液为无机碱的水溶液。

　　10.权利要求1～5任意一项所述纳米复合材料或权利要求6～9任意一项所述制备方法制备的纳米复合材料在水处理中的应用。

　　说明书

　　一种纳米复合材料及其制备方法和在水处理中的应用

　　技术领域

　　本发明涉及功能材料技术领域，特别涉及一种纳米复合材料及其制备方法和在水处理中的应用。

　　背景技术

　　石墨烯是由单层碳原子堆积成的具有二维蜂窝状晶体结构的一种碳质新材料，具有比表面积高、机械强度高、导电性好、导热性好、室温量子霍尔效应、易于修饰等优异性能。基于石墨烯以上各种优异性能，石墨烯在高灵敏度传感器、超级电容器、存储单元、蓄电池、机电谐振器及太阳能电池等多领域得到了广泛应用。

　　水是生命之源，随着工业社会的发展，越来越多的污染物未经处理而被直接排放进入地下水系统。传统的水处理方法包括淡化、过滤、反渗透、消毒杀菌和化学沉降等，吸附方法因操作简便、处理效果好、无副产物及费用低等优点被广泛应用于水污染治理中。石墨烯及其衍生物(如氧化石墨烯、羟基化石墨烯和羧基化石墨烯)巨大的比表面积使它成为优质的水处理吸附剂。

　　目前，石墨烯及其衍生物作为水处理吸附剂主要用于吸附两类污染物：有机物和无机阴离子。水中的大分子有机污染物易与石墨烯及其衍生物表面的基团发生相互作用，形成稳定的复合物，石墨烯及其衍生物对其的吸附能力较高，如：Liu T H.etal.ColloidSurface B,2012,90:197-203中公开了不同pH值、接触时间和浓度下的石墨烯对亚甲基蓝的吸附;也有学者采用环境友善的功能化石墨烯衍生物处理水中的无机污染物，如：Li YH,etal.Colloid Interface Sei.,2011,363:348-354中公开了功能化石墨烯在不同pH值、温度和反应时间下对氟化物的吸附性能。

　　但是，石墨烯及其衍生物本身的不易分离的性质限制了其在水处理中的应用;并且，污水中存在的重金属离子，如铅、铜、锌和银等，其摄入也会严重危害人类健康。

　　发明内容

　　本发明的目的在于提供一种纳米复合材料及其制备方法和在水处理中的应用。本发明提供的纳米复合材料易于分离，且能够高效去除水中铅、铜、锌和银离子。

　　本发明提供了一种纳米复合材料，包括基体和负载于所述基体表面的纳米粒子，所述基体包括石墨烯和石墨烯衍生物中的一种或多种，所述纳米粒子包括Fe3O4和Mg(OH)2。

　　优选的，所述纳米粒子的负载量为纳米复合材料质量的90～99%。

　　优选的，所述纳米粒子的粒径为3～100nm。

　　优选的，所述Fe3O4和Mg(OH)2的摩尔比为0.1～10:1。

　　优选的，所述基体的厚度为1～10nm。

　　本发明提供了一种上述技术方案所述纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

　　(1)将基体材料与水溶性二价铁盐、水溶性三价铁盐、水溶性镁盐和水混合，得到混合溶液;

　　(2)向所述步骤(1)得到的混合溶液中滴加碱液，沉淀反应得到纳米复合材料。

　　优选的，所述步骤(1)的混合溶液中Fe2+和Fe3+的摩尔比为1:2。

　　优选的，所述步骤(2)中沉淀反应的温度为50～100℃，沉淀反应的时间为2～24h。

　　优选的，所述步骤(2)中的碱液为无机碱的水溶液。

　　本发明还提供了上述技术方案所述纳米复合材料或按照上述技术方案所述制备方法制备的纳米复合材料在水处理中的应用。

　　本发明提供的纳米复合材料包括基体和负载于所述基体表面的纳米粒子，所述基体包括石墨烯和石墨烯衍生物中的一种或多种，所述纳米粒子包括Fe3O4和Mg(OH)2。本发明以石墨烯和/或石墨烯衍生物为基体，通过负载的Fe3O4磁性纳米粒子使纳米复合材料具有磁性，易于分离，同时增大纳米复合材料的饱和吸附容量;通过负载Mg(OH)2纳米粒子高效吸附重金属离子。实验结果表明，本发明提供的纳米复合材料对于初始浓度为50ppm的Pb2+，Cu2+，Ag+及Zn2+在90min内的去除率可分别达到99.9%，99.9%，88%和85%，饱和吸附容量可分别达到619，441，144和121mg/g。