申请日2017.01.20
公开(公告)日2017.05.31
IPC分类号C02F1/28; C02F1/70; C02F101/20; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种利用金属单质还原剂原位还原氧化石墨烯的高效污水处理方法，其目的在于通过在氧化石墨烯处理污水时，加入还原剂和催化剂，原位还原氧化石墨烯，极大地增加石墨烯对污水中污染物的吸附效率和吸附容量。该方法对多种污染物对象包括色素(阳离子染料：亚甲基蓝MB;阴离子染料：刚果红CR，柠檬黄LY)和重金属离子(Cd2+，Pb2+)污染物的吸附效率接近100%，吸附容量比现有技术的石墨烯材料提高了几倍到几百倍。本发明为一种环保经济的污水处理新方法，可以绿色、超快速、高效地去除水体中的色素、重金属或其他污染物。
摘要附图
权利要求书
1.一种利用还原剂原位还原氧化石墨烯的污水处理方法，其特征在于，在搅拌条件下，向污水中加入氧化石墨烯和还原剂，固液分离，所得液相为处理后的污水;所述还原剂用于原位还原氧化石墨烯。
2.如权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述还原剂为标准还原电势为-2.5V～-0.4V的金属单质，优选为镁粉、铝粉、锌粉和铁粉中的至少一种，进一步优选为锌粉。
3.如权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述污水中还加入有催化剂，所述催化剂用于催化所述还原剂的还原反应。
4.如权利要求3所述的污水处理方法，其特征在于，所述催化剂为酸性物质，所述催化剂优选为氯化铵或磷酸。
5.如权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述还原剂的质量为所述氧化石墨烯质量的4倍及以上。
6.如权利要求4所述的污水处理方法，其特征在于，所属还原剂和所述催化剂的质量比为1:1～10。
7.如权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述污水中的污染物包括色素或重金属。
8.如权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述氧化石墨烯和所述污染物的质量比为0.5～2:1，优选1:1。
9.如权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的氧化率为100%。
10.如权利要求9所述的污水处理方法，其特征在于，所述氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：
(1)预氧化石墨的制备：以石墨粉为原料，优选为光谱纯石墨粉，依次加入浓硫酸、二氧化锰和五氧化二磷，混合均匀并在60℃～100℃反应2h～8h，冷却后静置分层，取下层沉淀洗涤至中性，干燥得到预氧化石墨;
(2)预氧化石墨的二次氧化：在0℃冰浴下，将步骤(1)所得的预氧化石墨与浓硫酸混合均匀，加入高锰酸钾，反应结束后在搅拌条件下先后加入二次水和过氧化氢，得到金黄色的氧化石墨烯混合液;
(3)氧化石墨烯的清洗：用盐酸溶液清洗步骤(2)得到的氧化石墨烯混合液，透析得到凝胶状的氧化石墨烯。
说明书
一种利用还原剂原位还原氧化石墨烯的污水处理方法
技术领域
本发明属于水体净化及环境保护技术领域，更具体地，涉及一种利用还原剂原位还原氧化石墨烯的污水处理方法。
背景技术
随着人类社会工农业的发展，我国面临着水体污染等日趋严重的环境问题。色素和重金属常共存于水体环境中，这些环境污染物具有高毒性，致癌性，不可降解性以及易在生物体内富集等危害，给人体健康和环境造成了巨大的危害。考虑到这种危害的严重性和长期性，政府对含色素和重金属的废水的绿色无害化处理制定了严格的标准，因此在排放污水之前必须去除这些污染物。净化色素和重金属离子污染水体有多种方法，例如化学沉淀、膜分离、过滤、离子交换、电渗析和吸附等方法来减缓环境污染，在这些方法中吸附剂吸附是一种高效的污水处理方法。目前主要的吸附剂有活性炭，金属氧化物，功能化硅胶和氧化石墨烯及石墨烯基材料等，因此吸附处理污水兼具多种类的吸附剂，高效，易分离，易于操作及较低的成本等优点。氧化石墨烯及石墨烯基纳米材料具有特殊的二维结构，多样的含氧官能团和极大的比表面积等特性，是吸附剂中最佳的候选材料。但是，现有的石墨烯材料处理污水方法存在费用高，耗时长，处理污染物对象单一，又容易引起二次污染等缺点。因此，如何经济绿色、快速高效地同时去除污水中色素和金属离子仍然是人类关注的热点问题。
基于氧化石墨烯在处理污水中色素和重金属离子具有较好的吸附性能，我们发现可以利用锌粉原位还原氧化石墨烯可以极大的增加吸附效率和吸附容量。本工作处理了多种污染物对象包括色素(阳离子染料：亚甲基蓝MB;阴离子染料：刚果红CR，柠檬黄LY)和重金属离子(Cd2+,Pb2+)，该方法对这些污染物的吸附效率接近100%。我们发展了一种环保经济的污水处理新方法，可以绿色，超快速，高效地去除水体中的色素和重金属。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用金属单质还原剂原位还原氧化石墨烯的高效污水处理方法，其目的在于通过在氧化石墨烯处理污水时，加入还原剂和催化剂，原位还原氧化石墨烯，极大地增加石墨烯对污水中污染物的吸附效率和吸附容量，由此解决现有技术采用石墨烯材料处理污水吸附容量低、吸附效率低、耗时长等的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用还原剂原位还原氧化石墨烯的污水处理方法，在搅拌条件下，向污水中加入氧化石墨烯和还原剂，固液分离，所得液相为处理后的污水;所述还原剂用于原位还原氧化石墨烯。
优选地，所述还原剂为标准还原电势为-2.5V～-0.4V的金属单质。
优选地，所述还原剂为镁粉、铝粉、锌粉和铁粉中的至少一种。
优选地，所述还原剂为锌粉。
优选地，所述污水中还加入有催化剂，所述催化剂用于催化所述还原剂的还原反应。
优选地，所述催化剂为酸性物质。
优选地，所述催化剂为氯化铵或磷酸。
优选地，所述还原剂的质量为所述氧化石墨烯质量的4倍及以上。
优选地，所属还原剂和所述催化剂的质量比为1:1～10。
优选地，所述污水中的污染物包括色素或重金属。
优选地，所述氧化石墨烯和所述污染物的质量比为0.5～2:1。
优选地，所述氧化石墨烯和所述污染物的质量比1:1。
优选地，所述氧化石墨烯的氧化率为100%。
优选地，所述氧化石墨烯的制备方法包括如下步骤：
(1)预氧化石墨的制备：以石墨粉为原料，依次加入浓硫酸、二氧化锰和五氧化二磷，混合均匀并在60℃～100℃反应2h～8h，冷却后静置分层，取下层沉淀洗涤至中性，干燥得到预氧化石墨;
(2)预氧化石墨的二次氧化：在0℃冰浴下，将步骤(1)所得的预氧化石墨与浓硫酸混合均匀，加入高锰酸钾，反应结束后在搅拌条件下先后加入二次水和过氧化氢，得到金黄色的氧化石墨烯混合液;
(3)氧化石墨烯的清洗：用盐酸溶液清洗步骤(2)得到的氧化石墨烯混合液，透析得到凝胶状的氧化石墨烯。
优选地，步骤(1)所述石墨粉为光谱纯石墨粉。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明基于改进Kovtyukhova方法制备氧化石墨烯(产率为100%)，氧化石墨烯进行原位还原吸附过程中涉及加入还原剂，比如锌粉，和催化剂氯化铵或者磷酸等无毒性试剂来实现色素和重金属的高效移除。
(2)本方法处理污水中色素和重金属仅需5～10min即可达到接近100%移除，满足实际污水处理要求。
(3)将本方法用于移除水体中色素(阳离子染料：亚甲基蓝MB;阴离子染料：刚果红CR，柠檬黄LY)和重金属离子(Cd2+,Pb2+)，吸附效率分别为99.57%、99.95%、98.46%、99.92%、100%和吸附容量(MB，CR和Cd2+符合Langmuir等温吸附模型，LY和Pb2+符合Freundlich等温吸附模型)分别为2.6g g-1、7.6g g-1、3.2g g-1、8.4g g-1、17.9g g-1，与现有的吸附技术相比吸附容量增大了几倍到几百倍。
(4)本方法可同时处理含有五种污染物的水样(MB，CR，LY，Cd2+，Pb2+);此外大量实际样品测试(土壤水样、生活污水等)也证明该方法有很好的应用前景、实用性强以及应用范围广。
(5)本发明利用金属单质还原剂，如锌粉原位还原氧化石墨烯，可以极大的增加石墨烯材料的吸附效率和吸附容量。该方法对多种污染物对象包括色素(阳离子染料：亚甲基蓝MB;阴离子染料：刚果红CR，柠檬黄LY)和重金属离子(Cd2+，Pb2+)污染物的吸附效率接近100%，本发明为一种环保经济的污水处理新方法，可以绿色、超快速、高效地去除水体中的色素、重金属以及其他污染物。
