申请日 20200916
公开（公告）日 20201208
IPC分类号 B01J20/28; B01J20/26; C02F1/30; C02F1/28; B01J31/38; B01J31/06; C02F103/30; C02F101/30
摘要
本发明提供了一种用于处理印染废水的吸附材料及其制备方法。本发明通过制备氧化石墨烯粉末，并将其与羧甲基纤维素钠混合后，再加入丙烯酸进行交联反应，制备了吸附性能优异的复合水凝胶；再将该水凝胶浸渍于含有TiO2纳米颗粒、苯胺和盐酸的溶液中，充分反应后，得到了用于处理印染废水的吸附材料。通过上述方式，本发明能够利用羧甲基纤维素基水凝胶和丙烯酸基水凝胶间的相互穿插复合作用，形成具有丰富孔隙的网络结构，并在氧化石墨烯的交联作用下，达到优异的吸附效果。同时，本发明能够利用苯胺的聚合作用将TiO2固定于吸附材料中，从而在对各类染料进行高效吸附的同时达到光催化的效果，实现对印染废水的高效处理。
权利要求书
1.一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备氧化石墨烯粉末；
S2、将步骤S1得到的所述氧化石墨烯粉末与羧甲基纤维素钠、过硫酸铵分别加入去离子水中，超声溶解后，得到混合液A；再向所述混合液A中加入丙烯酸和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌后进行交联反应，得到水凝胶；
S3、将TiO2纳米颗粒分散于去离子水中，再加入苯胺和盐酸，搅拌均匀后得到混合液B；
S4、将步骤S2得到的所述水凝胶浸渍于步骤S3得到的所述混合液B中，充分反应后经洗涤、烘干，得到吸附材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述氧化石墨烯粉末的制备方法包括如下步骤：
S11、在冰浴状态下，向浓硫酸溶液中加入石墨粉和硝酸钠，并持续搅拌；待温度升高至20～25℃时，再加入高锰酸钾，并转移至30～40℃的水浴条件下充分搅拌，形成浓稠的糊状物；
S12、向步骤S11得到的所述糊状物中加入去离子水，在90～95℃下搅拌30～40min后，再加入30％的H2O2溶液，充分搅拌后得到棕色浆液；
S13、对步骤S12得到的所述棕色浆液进行过滤、洗涤后，再将其分散于去离子水中，超声振荡剥离后再进行离心处理，得到的上层液即为氧化石墨烯分散液；对所述氧化石墨烯分散液进行真空干燥后，得到氧化石墨烯粉末。
3.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述混合液A中：氧化石墨烯粉末的浓度为0.008～0.012g/mL，羧甲基纤维素钠的浓度为0.01～0.015g/mL。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述丙烯酸与所述混合液A的体积比为1:(15～25)。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，所述交联反应的反应温度为60～80℃，反应时间为30～60min。
6.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述混合液B中：TiO2纳米颗粒的浓度为0.01～0.03g/mL，苯胺的浓度为0.3～0.5mol/L。
7.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，所述混合液B中盐酸的浓度为1.5～2.5mol/L。
8.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，所述水凝胶与所述混合液B的质量体积比为1g:(15～25)mL。
9.根据权利要求1所述的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，所述水凝胶在所述混合液B中的浸渍时间为6～10h。
10.一种用于处理印染废水的吸附材料，其特征在于，根据权利要求1～9中任一权利要求所述的制备方法制备得到。
说明书
一种用于处理印染废水的吸附材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及印染废水处理技术领域，尤其涉及一种用于处理印染废水的吸附材料及其制备方法。
背景技术
随着工业化进程的加快，工业生产过程产生的废水已成为水体污染的主要来源。在各类工业废水中，印染废水具有染料结构复杂、降解性低、耐热性好、水溶性强、色度深等特点，难以被有效处理，这些未得到有效处理的印染废水不仅会污染水体，甚至会对附近的土壤造成污染，严重威胁生态环境和人体健康。因此，研究用于处理印染废水的材料对保护生态系统具有重要意义。
目前，对印染废水的处理方法主要分为物理法、化学法和生物法。在这些方法中，物理法以其简单高效的处理优势得到了广泛应用，特别是物理法中的吸附法，能够利用吸附材料的吸附作用分离出水中的染料分子，实现对印染废水的高效处理。在吸附法中，吸附材料的吸附效率及吸附容量直接关系着对印染废水的处理效果，如何制备出性能优异的吸附材料是当前的研究重点。
公开号为CN110760028A的专利提供了一种复合水凝胶及其制备方法与在废水处理中的应用。该专利通过将乙烯基化合物、氧化石墨烯和交联剂混合后先进行预反应，再加入引发剂进行聚合反应，制备了氧化石墨烯/聚乙烯基化合物复合水凝胶；该复合水凝胶能够对染料污水中的碱性阳离子进行快速吸附，达到快速处理染料废水的效果。然而，该专利制备的复合水凝胶仅能够对碱性阳离子染料进行有效吸附，对阴离子染料的吸附效果不佳，而阴离子染料以其结构稳定、结合度高、不易脱色等优点在实际应用中被广泛使用，若不能对其进行有效处理，则难以达到综合处理各种印染废水的效果。并且，该复合水凝胶仅能够起到对染料的吸附作用，当其吸附量达到饱和后，则难以继续对染料进行有效吸附，导致其应用受限。
有鉴于此，有必要设计一种改进的吸附材料及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于处理印染废水的吸附材料及其制备方法。通过将氧化石墨烯与羧甲基纤维素钠混合后，再加入丙烯酸进行交联反应，制备了吸附性能优异的复合水凝胶；并通过将该水凝胶浸入含有TiO2纳米颗粒、苯胺和盐酸的溶液中，使苯胺在水凝胶中发生聚合反应，并将TiO2固定于吸附材料内部，从而在对碱性阳离子染料和阴离子染料进行高效吸附的同时达到光催化的效果，实现对印染废水的高效处理。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备氧化石墨烯粉末；
S2、将步骤S1得到的所述氧化石墨烯粉末与羧甲基纤维素钠、过硫酸铵分别加入去离子水中，超声溶解后，得到混合液A；再向所述混合液A中加入丙烯酸和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌后进行交联反应，得到水凝胶；
S3、将TiO2纳米颗粒分散于去离子水中，再加入苯胺和盐酸，搅拌均匀后得到混合液B；
S4、将步骤S2得到的所述水凝胶浸渍于步骤S3得到的所述混合液B中，充分反应后经洗涤、烘干，得到吸附材料。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述氧化石墨烯粉末的制备方法包括如下步骤：
S11、在冰浴状态下，向浓硫酸溶液中加入石墨粉和硝酸钠，并持续搅拌；待温度升高至20～25℃时，再加入高锰酸钾，并转移至30～40℃的水浴条件下充分搅拌，形成浓稠的糊状物；
S12、向步骤S11得到的所述糊状物中加入去离子水，在90～95℃下搅拌30～40min后，再加入30％的H2O2溶液，充分搅拌后得到棕色浆液；
S13、对步骤S12得到的所述棕色浆液进行过滤、洗涤后，再将其分散于去离子水中，超声振荡剥离后再进行离心处理，得到的上层液即为氧化石墨烯分散液；对所述氧化石墨烯分散液进行真空干燥后，得到氧化石墨烯粉末。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述混合液A中：氧化石墨烯粉末的浓度为0.008～0.012g/mL，羧甲基纤维素钠的浓度为0.01～0.015g/mL。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述丙烯酸与所述混合液A的体积比为1:(15～25)。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述交联反应的反应温度为60～80℃，反应时间为30～60min。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述混合液B中：TiO2纳米颗粒的浓度为0.01～0.03g/mL，苯胺的浓度为0.3～0.5mol/L。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述混合液B中盐酸的浓度为1.5～2.5mol/L。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述水凝胶与所述混合液B的质量体积比为1g:(15～25)mL。
作为本发明的进一步改进，在步骤S4中，所述水凝胶在所述混合液B中的浸渍时间为6～10h。
为实现上述目的，本发明还提供了一种用于处理印染废水的吸附材料，该吸附材料根据上述技术方案中任一技术方案制备得到。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种用于处理印染废水的吸附材料的制备方法通过将氧化石墨烯与羧甲基纤维素钠混合后，再加入丙烯酸进行交联反应，制备了吸附性能优异的复合水凝胶；并通过将该水凝胶浸入含有TiO2纳米颗粒、苯胺和盐酸的溶液中，使苯胺在水凝胶中发生聚合反应，并将TiO2包覆于聚苯胺内部，从而在对碱性阳离子染料和阴离子染料进行高效吸附的同时达到光催化的效果，实现对印染废水的高效处理。
(2)本发明在制备水凝胶时，通过将氧化石墨烯与羧甲基纤维素钠混合后，在引发剂的作用下，再加入丙烯酸和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，利用交联反应制备水凝胶。这样的方式不仅能够使羧甲基纤维素基水凝胶和丙烯酸基水凝胶相互穿插复合，从而形成孔隙度较高的水凝胶，达到更优异的吸附性能；还能够使氧化石墨烯与羧甲基纤维素和丙烯酸相互交联，在牢固锚定氧化石墨烯的同时抑制其聚集，有效提高氧化石墨烯的分散性和稳定性。基于上述设计方式，本发明制备的吸附材料不仅能够充分利用氧化石墨烯和羧甲基纤维素钠本身优异的吸附性能，还能够利用反应过程中形成的高孔隙度进一步提高吸附，达到快速、大容量吸附的效果。并且，在实际应用过程中，当长时间的吸附导致其吸附饱和或孔隙被堵塞后，由于羧甲基纤维素能够缓慢降解，其降解产生的孔隙将进一步提高对印染废水中染料的吸附量，而氧化石墨烯则能够在丙烯酸基水凝胶的支持作用下持续保持稳定的吸附状态，从而在羧甲基纤维素缓慢降解的同时保证吸附材料整体结构的稳定性，使制得的吸附材料具有较长的使用寿命、较快的吸附速率和较高的吸附量。
(3)本发明通过将制备的水凝胶浸入含有TiO2纳米颗粒、苯胺和盐酸的混合溶液中，一方面能够使苯胺发生聚合反应，从而在水凝胶上生长聚苯胺链；另一方面能够将混合溶液中的TiO2纳米颗粒固定于吸附材料中，使其在高效吸附的同时达到光催化的效果。基于该制备方法，在盐酸作用下生长于水凝胶表面的聚苯胺上含有大量含正电的氨基，能够促进该吸附材料对带负电的阴离子染料进行吸附，从而有效解决现有技术中制备的氧化石墨烯/聚乙烯基化合物水凝胶仅适用于对碱性阳离子染料进行吸附的问题，实现对阴离子染料和碱性阳离子染料的同时吸附，以满足实际应用的需求。同时，聚苯胺的引入不仅能够增强水凝胶表面的粗糙度，从而增加吸附材料的比表面积并提供更多的吸附位点；还能够进一步与复合水凝胶形成的网状结构交联，提高水凝胶的力学性能并对氧化石墨烯进行有效固定，防止其流失。此外，混合液中的TiO2纳米颗粒能够在苯胺聚合反应过程中被形成的聚苯胺包覆，并均匀分散于吸附材料丰富的孔隙中。在这一过程中，包覆于TiO2纳米颗粒表面的聚苯胺能够促进电子和空穴的产生，提高TiO2纳米颗粒对可见光的吸收作用，改善其光催化性能；并且，吸附材料中的石墨烯优异的电子传输性能可以降低TiO2纳米颗粒中电子和空穴对的复合，从而进一步提高TiO2的催化效率。
(4)本发明能够充分利用各原料间的协同作用，使制备的吸附材料能够对印染废水中的阴离子染料和碱性阳离子染料进行快速高效的吸附，并在吸附过程同时进行光降解，从而达到更快的吸附速率和更大的吸附量，实现对印染废水的高效处理，应用前景广泛。
发明人 （王宇）