一种改性氧化石墨烯及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种改性氧化石墨烯，属于水质净化及石墨烯合成技术领域，是通过以下制备方法制备得到的：取有机硅化合物，溶解在DMF溶剂中，然后与氧化石墨混合，溶液经超声处理40min后，在磁力搅拌下挥发溶剂，在烘箱中，100～150℃烘3h，真空烘2h，得改性氧化石墨；然后，取改性氧化石墨，加水，超声处理10min～30min，得改性氧化石墨烯水溶液，溶液是分散均匀的褐色溶液，干燥后，即得改性氧化石墨烯。本发明的改性氧化石墨烯，可吸附水中铅离子，吸附效率很高，而且吸附剂用量少，比较环保，操作快速简便，可解决水中铅污染的问题。

权利要求

1.一种改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：取有机硅化合物，溶解在DMF溶剂中，然后与氧化石墨混合，溶液经超声处理40min后，在磁力搅拌下挥发溶剂，在烘箱中，

100～150℃烘3h，真空烘2h，得改性氧化石墨；然后，取改性氧化石墨，加水，超声处理

10min～30min，得改性氧化石墨烯水溶液，干燥后，即得改性氧化石墨烯；所述有机硅化合物是以3-氨丙基三甲氧基硅烷和丙烯酸甲酯为原料，以甲醇为溶剂，在40～60℃下，反应

24～36h所得。

2.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨是通过以下制备方法得到的：采用Hummers氧化法，首先将1g石墨粉、1g NaNO3、3g KMnO4和

23mL98%的浓硫酸在冰水浴中搅拌均匀，反应时间为2h；然后转入35℃水浴中搅拌反应1h，形成粘膏状；然后加入150mL去离子水，继续搅拌反应15min，再慢慢加入5mL质量分数为

30%的H2O2，溶液由黑色变成黄色；趁热过滤，用水洗涤产物，所得产物烘干后，即为氧化石墨。

3.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述有机硅化合物与DMF溶剂的质量比为1：（60～100）。

4.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述有机硅化合物与氧化石墨的质量比为1：（10～100）。

5.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述超声处理的功率为70～150W。

6.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于：所述加水时，每1g改性氧化石墨加水8～12mL。

7.一种改性氧化石墨烯，其特征在于：是以氧化石墨烯为原料，经权利要求1的制备方法制备得到的。

说明书

一种改性氧化石墨烯及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种改性氧化石墨烯及其制备方法，以及吸附水中重金属铅离子的应用，属于水质净化及石墨烯合成技术领域。

背景技术

[0002] 铅是可以在人体和动物组织中积蓄的有毒重金属。在日常生活中铅污染主要来源于蓄电池、化妆品、燃煤、燃油、油漆、自来水管等等。而水体中铅的来源主要有：岩石矿物溶2+
出；含铅矿山、铅冶炼企业的废水；生产铅化合物的工厂废水。天然水中铅主要以Pb 形式存在，水中铅污染的问题亟待解决。

[0003] 降解水中铅的方法有很多，对于高浓度铅废水，化学沉降法(氢氧化物、硫化物)是比较经济的方法，因为废水中有很多杂质，可以一并除去，同时可以使水中铅的浓度达到比较低的水平。对于低浓度含铅水溶液，可以采用的降解方法有离子交换法、反渗透法、吸附法等。虽然离子交换和反渗透可以把金属离子降解到比较低的水平，但是其维护费用比较高。吸附法是比较常用的方法，采用的吸附剂有活性炭、沸石、灰尘、金属氧化物、壳聚糖、农业副产物。

[0004] 石墨烯自从2004年被制备出来，探讨石墨烯在机械性能、光、电、热以及在聚合物基体里的分散等优异性能逐渐成为各个研究领域的前沿热点。其可能的吸附机理是含碳物质对铅离子的吸附主要发生在酸性官能团上(羧基基团和内酯酸基团)，氧化石墨烯表面含有大量的羟基、羧基和含氧官能团，因此可以用于吸附铅离子，但其吸附效率较低，急需一种性能更优异的改性氧化石墨烯吸附剂。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术，本发明提供了一种改性氧化石墨烯及其制备方法与应用，本发明的改性氧化石墨烯可吸附水中铅离子，吸附效率很高，而且吸附剂用量少，比较环保，操作快速简便，能解决水中铅污染的问题。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种改性氧化石墨烯的制备方法：取有机硅化合物，溶解在DMF溶剂中，然后与氧化石墨混合，溶液经超声(功率70～150W)处理40min后，在磁力搅拌下挥发溶剂，在烘箱中，100～150℃烘3h，真空烘2h，得改性氧化石墨；然后，取改性氧化石墨，加水，超声(功率70～150W)处理10min～30min，得改性氧化石墨烯水溶液，溶液是分散均匀的褐色溶液，使用AFM观察的结果可见图2，干燥后，即得改性氧化石墨烯。

[0008] 所述氧化石墨的改性过程为：

[0009]

[0010] 所述改性氧化石墨水解的反应为：

[0011]

[0012] 所述有机硅化合物的结构式为：

[0013]

[0014] 是以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)(可从市场上买到)和丙烯酸甲酯(摩尔比为1∶2)为原料，以甲醇为溶剂，在40～60℃下，反应24～36h所得(迈克尔加成，为常规的化学合成方法，只要按照该方法即可得到本发明所用的有机硅化合物，在此不再赘述)，反应式如下：

[0015]

[0016] 所述氧化石墨是通过以下制备方法得到的：采用Hummers氧化法，原料是天然鳞片石墨粉；首先将1g石墨粉、1gNaNO3、3g KMnO4和23mL 98％的浓硫酸在冰水浴中搅拌均匀，反应时间为2h；然后转入35℃水浴中搅拌反应1h，形成粘膏状；然后加入150mL去离子水，继续搅拌反应15min，再慢慢加入5mL质量分数为30％的H2O2，溶液由黑色变成黄色；趁热过滤，用大量的水洗涤产物，所得产物烘干后，即为氧化石墨。称取氧化石墨，加水，超声(功率70～150W)处理10min～30min，得氧化石墨烯水溶液，溶液是分散均匀的黄色溶液，使用AFM观察的结果可见图1。

[0017] 所述有机硅化合物与DMF溶剂的质量比为1∶(60～100)，优选1∶80。

[0018] 所述有机硅化合物与氧化石墨的质量比为1∶(10～100)，优选1∶20。

[0019] 所述加水时，每1mg改性氧化石墨加水8～12mL，优选10mL。

[0020] 所述DMF是指N，N-二甲基甲酰胺。

[0021] 一种改性氧化石墨烯，是以氧化石墨为原料，经上述制备方法制备得到的。

[0022] 本发明的改性氧化石墨烯，可吸附水中铅离子，吸附效率很高，而且吸附剂用量少，比较环保，操作快速简便，可解决水中铅污染的问题。

附图说明

[0023] 图1为氧化石墨在水中剥离后的AFM图。

[0024] 图2为改性氧化石墨在水中剥离后的AFM图。

具体实施方式

[0025] 下面结合实例对本发明作进一步的说明。

[0026] 实施例1(1)制备氧化石墨：采用Hummers氧化法，原料是天然鳞片石墨粉；首先将1g石墨粉、1gNaNO3、3g KMnO4和23mL 98％的浓硫酸在冰水浴中搅拌均匀，反应时间为2h；然后转入35℃水浴中搅拌反应1h，形成粘膏状；然后加入150mL去离子水，继续搅拌反应15min，再慢慢加入5mL质量分数为30％的H2O2，溶液由黑色变成黄色；趁热过滤，用大量的水洗涤产物，所得产物烘干后，即为氧化石墨。

[0027] (2)所述有机硅化合物是通过以下方法制备得到的：以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APMS)和丙烯酸甲酯(摩尔比为1∶2)为原料，以甲醇为溶剂，在50℃下，反应30h，即得，反应式(迈克尔加成)如下：

[0028]

[0029] (3)取有机硅化合物1mg，溶解在80mg DMF溶剂中，然后与20mg氧化石墨混合，溶液经超声(功率120W)处理40min后，在磁力搅拌下挥发溶剂，在烘箱中，120℃烘3h，真空烘2h，得改性氧化石墨。

[0030] 称量步骤(1)合成的氧化石墨1mg，溶解于10mL去离子水中，超声(功率120W)处理20min得到氧化石墨烯水溶液。用微量进样器加入4.8μL 0.01mol/L的Pb(NO3)2水溶2+
液(其中Pb 含量为1mg/L)，混合摇匀。可以看到氧化石墨烯团聚的现象。然后3000rpm离心分离，收集澄清上清液，测水中铅的残余量。用原子吸收光谱法测得上清液中铅的含量为0.23mg/L。再平行测定两次，测得铅的残余量分别为0.24mg/L和0.20mg/L。计算得到氧化石墨烯对铅的最高吸附效率为80％左右。

[0031] 称量上述合成的改性氧化石墨1mg，溶解于10mL去离子水中，超声(功率120W)处理20min得到改性氧化石墨烯水溶液。用微量进样器加入48μL 0.01mol/L的Pb(NO3)2(其2+
中Pb 含量为1mg/L)水溶液，混合摇匀。可以看到改性氧化石墨烯的团聚现象。然后
3000rpm离心分离，收集澄清上清液，测水中铅的残余量。用原子吸收光谱法测得上清液中铅的含量为5.2μg/L。再平行测定两次，测得铅的残余量分别为10μg/L和11μg/L。计算得到改性氧化石墨烯对铅的最大吸附效率大于99％。