申请日2017.07.11
公开(公告)日2017.09.22
IPC分类号B01J20/24; C02F1/28; B01J20/30; B01J20/28; C02F101/20
摘要
本发明公开了一种利用茶皂素‑还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，包括以下步骤：在重金属废水中加入茶皂素‑还原氧化石墨烯复合材料，置于恒温水浴锅中振荡1h～2h，振荡温度为20～30℃，振荡速率为170rpm～190rpm，完成对重金属废水的处理;所述茶皂素‑还原氧化石墨烯复合材料为茶皂素吸附于还原氧化石墨烯表面，并与还原氧化石墨烯以化学键方式结合形成的具有光滑表面的层状多孔纳米结构。该处理方法具有与处理效果好、吸附过程无二次污染，易于固液分离等优点。
权利要求书
1.一种利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，包括以下步骤：
在重金属废水中加入茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料，置于恒温水浴锅中振荡1h～2h，振荡温度为20～30℃，振荡速率为170rpm～190rpm，完成对重金属废水的处理;
所述茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料为茶皂素吸附于还原氧化石墨烯表面，并与还原氧化石墨烯以化学键方式结合形成的具有光滑表面的层状多孔纳米结构。
2.根据权利要求1所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述重金属废水中的重金属离子包括镉离子，所述重金属废水中的重金属离子的浓度为5mg/L～50mg/L，重金属废水中的pH为6～6.3。
3.根据权利要求2所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述化学键包括π-π键和共价键。
4.根据权利要求3所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述层状多孔纳米结构中，层间距为0.90nm～1.20nm，孔径为1nm～3nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料通过以下方法制得：
将硼氢化钠和茶皂素加入氧化石墨烯的分散液中，在加热条件下进行搅拌，生成沉淀反应物;将生成沉淀反应物的反应液进行后处理，得到茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料。
6.根据权利要求5所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属污水的方法，所述氧化石墨烯、茶皂素和硼氢化钠的质量比为1～1.5∶1∶2～2.5。
7.根据权利要求5所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述加热温度为348K～353K，搅拌时间为1.5h～2h。
8.根据权利要求5所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述后处理具体为：离心，洗涤，过滤，最后冷冻干燥。
9.根据权利要求8所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述离心洗涤的转速为8000rpm～11000rpm，离心时间为10min～15min;所述冷冻干燥在真空状态下进行，温度为-80℃～-110℃，干燥时间为2d～3d。
10.根据权利要求5所述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的分散液中，分散剂为水，所述分散剂与氧化石墨烯的体积质量比为(0.5～1)mL∶1mg。
说明书
利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法
技术领域
本发明属于重金属废水处理技术领域，尤其涉及一种利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法。
背景技术
重金属毒性与水生生物、人类和环境息息相关，因此水中的重金属污染已引起了人们的广泛关注。镉(Cd2+)是工业中常用的金属，其主要污染来自于冶金、机械、采矿和电镀工业等部门的废水排放。镉及其化合物均具有很强的毒性，能影响人的肾功能，造成骨质疏松、骨骼变形、骨痛，甚至致癌，而且镉对植物和动物的生长和繁殖也有较大的危害。废水中的镉一般采用沉淀法去除，此外，絮凝法、离子交换法、吸附法、电渗析法等都可以用来去除废水中的镉。吸附法具有简单方便、选择性好、能回收有价值金属的优点，尤其适用于去除低浓度重金属离子，因而倍受欢迎。但由于吸附剂的价格高制约了大规模应用，因此研究新型廉价高吸附容量的吸附材料是今后重金属废水处理研究的重点。
近年来，石墨烯及其复合材料由于其良好的性能和巨大的比表面积，被认为是一种具有良好前景的吸附剂。氧化石墨烯(GO)除保持石墨烯巨大的比表面积外，在六元碳环上还引入了大量如环氧基、羟基和羧基等带电负性的含氧官能团，通过静电吸附能够有效的吸附金属阳离子。然而，氧化石墨烯由于较强的亲水性而导致易团聚和难分离，残留的氧化石墨烯进入人体后又很难被肾脏排出，因此会诱发肺肉芽肿等疾病。目前的做法是将氧化石墨烯还原，减少表面官能团以增进其分离性能。目前，国内外已有关于还原氧化石墨烯与其复合材料的研究，然而运用于重金属废水的处理过程中，均存在吸附量低，处理效果不佳，生物毒性大等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种处理效果好、吸附过程无二次污染，易于固液分离的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，包括以下步骤：
在重金属废水中加入茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料，置于恒温水浴锅中振荡1h～2h，振荡温度为20～30℃，振荡速率为170rpm～190rpm，完成对重金属废水的处理;
所述茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料为茶皂素吸附于还原氧化石墨烯表面，并与还原氧化石墨烯以化学键方式结合形成的具有光滑表面的层状多孔纳米结构。
本发明的创新点在于：
茶皂素含有大量的含氧官能团，理论上是一种理想的重金属离子吸附材料。但是由于茶皂素易溶于水，(溶解性为30mg/mL，H2O)，因而限制了其在重金属废水处理中的应用。本发明在还原氧化石墨烯复合材料的研究中无意发现，通过一定的方法使茶皂素与还原氧化石墨烯化学结合后，由于化学结构改变，还原氧化石墨烯表面结合的茶皂素不溶于水;由于茶皂素本身大量非毒性的羟基、羰基等含氧官能团的引入，所形成的茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料对废水中金属阳离子的吸附能力较单一的还原氧化石墨烯大大提高，且实践表明，也远高于现有的改性还原氧化石墨烯复合材料、及氧化石墨烯对金属阳离子的吸附能力。并且，由于本发明的原料之一为还原氧化石墨烯，较氧化石墨烯而言，具有生物毒性的表面羧基及羟基大大减少，且不易团聚，因而吸附过程无二次污染，易于固液分离。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述重金属废水中的重金属离子包括镉离子，所述重金属废水中的重金属离子的浓度为5mg/L～50mg/L，重金属废水中的pH为6～6.3。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述化学键包括π-π键和共价键。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述层状多孔纳米结构中，层间距为0.90nm～1.20nm，孔径为1nm～3nm。实践表明，层间距与孔径越小，吸附效果越弱。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料通过以下方法制得：
将硼氢化钠和茶皂素加入氧化石墨烯的分散液中，在加热条件下进行搅拌，生成沉淀反应物;将生成沉淀反应物的反应液进行后处理，得到茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述氧化石墨烯、茶皂素和硼氢化钠的质量比为1～1.5∶1∶2～2.5。其中，硼氢化钠作为还原剂，在上述范围内加的剂量越多，对氧化石墨烯的还原性越强。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述加热温度为348K～353K，搅拌时间为1.5h～2h。温度对茶皂素与还原石墨烯的结合有很大影响，超出上述范围值结合效果将变差。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述后处理具体为：离心，洗涤，过滤，最后冷冻干燥。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述离心洗涤的转速为8000rpm～11000rpm，离心时间为10min～15min;所述冷冻干燥在真空状态下进行，温度为-80℃～-110℃，干燥时间为2d～3d。
上述的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，优选的，所述氧化石墨烯的分散液中，分散剂为水，所述分散剂与氧化石墨烯的体积质量比为(0.5～1)mL∶1mg。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的利用茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料处理重金属废水的方法，由于本发明采用的茶皂素-还原氧化石墨烯复合材料具有很高的对金属阳离子的吸附能力，且生物毒性低，在水中不易团聚，因而本发明的废水处理过程中吸无二次污染，易于固液分离。
