申请日2015.05.05
公开(公告)日2015.08.05
IPC分类号B01J20/20; B01J27/04; C02F101/30; C02F1/30; C02F101/20; C02F1/28
摘要
一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法及其在污水处理领域的应用，该制备方法包括以下步骤：取190-210g氧化石墨烯、2.8-3.2g氯乙基磺酸钠和1.5-1.7g氢氧化钠加到470-530mL的去离水中，搅拌后，超声波震荡后再添加浓硝酸过滤，再用乙醇洗涤后干燥得磺化石墨烯;取钛酸四丁酯添加到二甲基甲酰胺和异丙醇的混合溶液中搅拌溶解后，无菌环境中加热，自然冷却后用乙醇洗涤，直到滤液为无色分离待晾干后煅烧得分层二氧化钛球体;取磺化石墨烯加到去离子水中，再加入分层二氧化钛球体，超声波浴，再离心后真空干燥，得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料。本发明简单易行，所得复合材料除污效果好，值得推广。
权利要求书
1.一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，磺化石墨烯的制备
取190-210g氧化石墨烯、2.8-3.2g氯乙基磺酸钠和1.5-1.7g氢氧化钠加入到470-530mL的去离水中，搅拌后，超声波震荡2.5-4.0h，再添加1.8-2.1mL浓硝酸，过滤，再用乙醇洗涤1-3次后干燥2-4天，得磺化石墨烯;
步骤2，分层二氧化钛球体的制备
取1-2mL钛酸四丁酯添加到15-30mL的二甲基甲酰胺和15-30mL的异丙醇的混合溶液中搅拌溶解后，在180-220℃下无菌环境中加热20-25h，自然冷却后用乙醇洗涤，直到滤液为无色，待离心分离后，在60-75℃下晾干，最后在450-500℃下煅烧1.5-2.5h，得分层二氧化钛球体;
步骤3，取0.5—5mg磺化石墨烯加到100mL去离子水中，再加入100mg的分层二氧化钛球体，超声波浴1-3h，再离心后真空干燥，得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料。
2.根据权利要求1所述的分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1中氧化石墨烯的量为200mg，氯乙基磺酸钠的量为3g，氢氧化钠的量为1.6g。
3.根据权利要求1所述的分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2中无菌环境的加热温度为200℃。
4.根据权利要求1所述的分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3中磺化石墨烯的量为2mg。
5.根据权利要求1所述的分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3中离心速度为4000-5000 rpm，干燥温度为70-85℃。
6.权利要求1所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于吸附污水中金属离子的应用。
7.根据权利要求6所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于吸附污水中金属离子的应用，其特征在于所述的金属离子是铜离子。
8.权利要求1所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于光催化降解污水中的有机污染物的应用。
说明书
一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法及其在污水处理领域的应用
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法及其在污水处理领域的应用。
背景技术
随着我国人口增加和经济建设快速发展，水资源短缺和人民生活需求增加已成为广泛关注的问题，然而我国水污染问题又加重了水资源危机，导致水量、水质和水生态等问题严重束缚和制约了我国经济发展。因此，必须有效地开发非传统水源，来缓解水资源短缺带来的一系列问题，那么污水回用则是解决水资源短缺可行性较强的措施，也是一个成本低、见效快的有效途径，同时还可以减少污染物排放，对提高水质也具有重要意义。
城市生活污水系统中常含有难生物降解的有机污染物(雌激素、抗生素、多溴联苯醚等)、一定量的金属离子、细菌、病毒等致病物质。污水经过生化、消毒处理后，出水中仍存在难生物降解的溶解性有机污染物(比如雌激素)，从而导致出水水质不能保障，也难以达标回用。由于雌激素的毒性、生物累积性等性质受到了广泛关注，也造成生态失衡和人类疾病增加等不良后果。与此同时，在生活污水中存在着一定量的金属离子，如：铜、铬、镍等。铜的毒性较小，它也是生命必需的微量元素之一，但是超过一定量(0.01mg/L)后，就会刺激人们的正常生理机能，铜对低等生物和农作物的毒性较大。在污水处理后的出水中，仍存在铜离子，随之被排放到自然水体，造成水生生物和植物的破坏。与由此可见，为高能效、低能源、更可靠地去除该类有机污染物和金属离子提供一种工艺简单、性能稳定、高效的复合吸附光降解材料具有重要意义。
目前，利用TiO2作为光催化材料来去除水中的内分泌干扰物的研究越来越多，TiO2无毒无害、具有成本低、去除范围广、光化学稳定性高、来源丰富和降低能量消耗等特点;并对水中难降解的有毒有害有机物有着良好的去除能力;具有广阔的应用前景，可应用于污水处理系统中。石墨烯作为二维纳米碳材料，以天然石墨作为原料，可化学方法实现石墨烯的大量生产，对金属离子的吸附性较好，因此，石墨烯及其衍生物基于TiO2的复合材料成为了能源再生产和环境修复领域的研究热点。这也是因为石墨烯/二氧化钛复合材料具有优良的性能，如较大的比表面积(理论值2600m2/g)、电荷转移速度快、高灵活性和化学稳定性。此外，石墨烯/二氧化钛复合材料的光吸收能力，再加上石墨烯/氧化石墨烯(GO)可以促进电荷转移和降低电子空穴对的复合率,进一步提高了光催化效率。
为了满足现代社会经济的发展和人们生活质量的需求，更高效提高污水回用率和污水回用水质是具有重大意义。因此，在石墨烯/氧化石墨烯(GO)-TiO2复合材料的基础上，开发一种光催化效率更为高效的新型复合材料分层磺化石墨烯-二氧化钛(SG-TiO2)，该材料的光催化降解性能更强，且它在很大范围的pH值(3-11)内也有很高的催化活性，弥补其他材料的缺点，挖掘分层磺化石墨烯-二氧化钛复合材料的催化降解潜力使之有望成为新型环境催化材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法及其在污水处理领域的应用，该方法低成本、所得复合材料的稳定性强、光催化能力强、污水处理效果好。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，磺化石墨烯的制备
取190-210g氧化石墨烯、2.8-3.2g氯乙基磺酸钠和1.5-1.7g氢氧化钠加入到470-530mL的去离水中，搅拌后，超声波震荡2.5-4.0h，再添加1.8-2.1mL浓硝酸，过滤，再用乙醇洗涤1-3次后干燥2-4天，得磺化石墨烯;
步骤2，分层二氧化钛球体的制备
取1-2mL钛酸四丁酯添加到15-30mL的二甲基甲酰胺和15-30mL的异丙醇的混合溶液中搅拌溶解后，在180-220℃下无菌环境中加热20-25h，自然冷却后用乙醇洗涤，直到滤液为无色，待离心分离后，在60-75℃下晾干，最后在450-500℃下煅烧1.5-2.5h，得分层二氧化钛球体;
步骤3，取0.5—5mg磺化石墨烯加到100mL去离子水中，再加入100mg的分层二氧化钛球体，超声波浴1-3h，再离心后真空干燥，得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料。
作为上述制备方法优选的是，步骤1中氧化石墨烯的量为200mg，氯乙基磺酸钠的量为3g，氢氧化钠的量为1.6g。
作为上述制备方法优选的是，步骤2中无菌环境的加热温度为200℃。
作为上述制备方法优选的是，步骤3中磺化石墨烯的量为2mg。
作为上述制备方法优选的是，步骤3中离心速度为4000-5000rpm，干燥温度为70-85℃。
所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于吸附污水中金属离子的应用。
所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于吸附污水中金属离子的应用，所述的金属离子是铜离子。
所得分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料用于光催化降解污水中的有机污染物的应用。
有益效果
1. 该材料是对石墨烯进行磺化改性，提高在水中的溶解性，并且以磺化石墨烯为掺杂剂和分层二氧化钛混合，使之发生聚合作用实现分子间的紧密结合，磺化石墨烯作为二氧化钛的载体，使之在水中的稳定性增强。
2. 分层磺化石墨烯/二氧化钛复合材料，大大增加了该复合材料的比表面积，增强了光吸收能力和增高了电荷分离效率，有效地吸附金属离子和光催化降解有机污染物。
3. 该材料不仅对金属离子的吸附性能优良，对铜离子的吸附性能高达99.2%，而且对污水中的有机污染物也有一定的光催化降解的优点，其对17β-雌二醇的降解率80.3%。
4. 该吸附降解材料的制备工艺简单、设备要求低易于实现，原料价格经济合理。
