一種s元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，包括以下步驟：制備摻硫石墨烯氣凝膠、制備摻硫石墨烯氣凝膠紙電極、在三電極體系下通過紙電極對不同的鈣離子進(jìn)行吸附。本發(fā)明的有益效果是：摻硫石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無污染，以這些材料修飾的電極對于水中鈣離子的吸附效率高、速度快、操作簡便，能夠有效地減少水中的硬度問題。
【專利說明】
一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，屬于廢水處 理和材料合成領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 水可以分為硬水和軟水，衡量硬水和軟水的標(biāo)準(zhǔn)是鈣鎂離子的濃度。含有大量鈣 鎂離子的水稱為硬水，而不含或者含有極少量的鈣鎂離子的水稱為軟水。工業(yè)用水中硬度 過大，會導(dǎo)致在回收或循環(huán)利用的過程中，在管道壁及設(shè)備壁產(chǎn)生結(jié)垢，縮小管道與設(shè)備的 斷面積，減少循環(huán)水流量，甚至堵塞管道及設(shè)備，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重后果。生活中，如果水的硬 度太大，對人類的生活以及身體健康也有很大的影響。對水中鈣離子處理方法有很多種：電 吸附、反滲透、化學(xué)沉淀法等。電吸附相對于其他的水處理方法，具有無二次污染、能耗低、 投資少、使用壽命長和易再生等優(yōu)點，是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法。因此，電吸附技術(shù)是一 種具有發(fā)展前途的水處理技術(shù)。
[0003] 石墨烯氣凝膠的用途有很多，由于其優(yōu)越的物理性質(zhì)和化學(xué)性能，常用于超級電 容器、空氣凈化器等。本發(fā)明利用石墨烯氣凝膠的大比表面積以及高的電子轉(zhuǎn)移率用于去 除水中的鎂離子，使硬水得到軟化，同時價格低廉、經(jīng)濟(jì)可行，并且無二次污染，是個很有發(fā) 展其前景的處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是將S元素修飾石墨烯電極應(yīng)用于一個新的領(lǐng)域一電吸附水中鈣離 子中。將摻硫石墨烯氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的鈣離子。
[0005] 本發(fā)明涉及一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，包括以下步 驟：
[0006] a、制備摻硫石墨烯氣凝膠:將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10~30min 使其分散均勻。待其分散均勻后加入二硫蘇糖醇，攪拌使其分散均勻。然后將混合液在95°C 的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2~3天，然后冷凍干燥， 得到摻硫石墨稀氣凝膠材料；
[0007] b、制備摻硫石墨稀氣凝膠紙電極:將步驟a制得的摻硫石墨稀氣凝膠與預(yù)先配制 的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上， 冷凍干燥，得到摻硫石墨烯氣凝膠紙電極；
[0008] c、電化學(xué)法去除水中鈣離子:配制鈣離子溶液，量取鈣離子溶液置于電吸附容器 中，將步驟b中制得的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極對鈣離子進(jìn)行電吸附實驗。電吸附鈣離子實 驗采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對電極，甘汞電極為參比電極。同時 使用電導(dǎo)率儀實時監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時，即各紙電極吸附達(dá)到平 衡。
[0009] 進(jìn)一步，步驟a中二硫蘇糖醇與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95°C，反應(yīng) 時間為2~4h。
[0010] 進(jìn)一步，步驟c中電吸附水中的離子為Ca2+。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是:摻硫石墨烯氣凝膠的制備方法簡便易行，制備過程環(huán)保無 污染，以這些材料修飾的電極對于水中重金屬離子的吸附效率較高、時間短、操作簡便，材 料的電吸附性能與以往材料相比也有了大幅的提升。
【附圖說明】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0013] 圖1為實施例一中制備的摻硫石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖）；
[0014] 圖2為實施例二中溶液中Ca2+初始濃度對Ca2+去除率的影響；
[0015] 圖3為實施例三中摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數(shù)的變化。
【具體實施方式】
[0016] 現(xiàn)在結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是 對本發(fā)明的進(jìn)一步限定。
[0017] 在本發(fā)明詳細(xì)敘述和實施例子中所示的鈣離子去除率是按下述方法測定的：
式中，分別表示Ca2+的去除率、初始濃度、平衡濃度。
[0018] 實施例一：
[0019 ]制備摻硫石墨烯氣凝膠材料紙電極包括以下幾個步驟：
[0020] (1)將0.15g的氧化石墨稀(GO)超聲分散在100mL蒸餾水中，再加入0.45g的二硫蘇 糖醇，機(jī)械攪拌使其充分混合，然后將混合液在95°C的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束 后，將生成的產(chǎn)物沉浸于蒸餾水中2~3天，最后樣品在-52°C冷凍干燥24h，得摻硫石墨烯氣 凝膠。
[0021 ] (2)將9Omg步驟（1)制得的摻硫石墨稀氣凝膠材料加入2mL 4wt %的聚乙稀醇溶 液，超聲使復(fù)合材料在溶液里分散均勾。取〇. 16mL上述分散液均勾涂抹于35mm X 8mm的硬紙 片(厚400M1)上，于-5 2 °C冷凍干燥12h，制成摻硫石墨稀氣凝膠紙電極。
[0022] 實施例二：
[0023]摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實施例一相同。
[0024]將制備的摻氮石墨烯氣凝膠紙電極分別用于0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的Ca2+溶液 的電化學(xué)處理，施加電壓為0.3V，處理時間為2min，Ca2+的去除率見圖2，可見摻氮石墨烯氣 凝膠材料對低濃度的Ca 2+溶液有較好的吸附效果。。
[0025] 實施例三：
[0026] 摻硫石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實施例一相同。
[0027] 對摻硫石墨烯氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗。將摻硫石墨烯氣凝膠紙電極置 于80mL濃度為0.25mmol/L的Ca2+溶液中，施加電位-0.3V，并記錄溶液電導(dǎo)率，2min后再次記 錄溶液的電導(dǎo)率，計算去除率。隨后撤去電位讓其脫附，連續(xù)循環(huán)多次。實驗結(jié)果如圖3所 示。首次吸附Ca 2+去除率為72.3%，在經(jīng)過30次的循環(huán)使用后電極對Ca2+去除率為70.7%， 當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)實驗時電吸附去除率有較明顯的下降。
【主權(quán)項】
1. 一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，其特征在于:步驟如下： a、 制備摻硫石墨烯氣凝膠:將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10~30min使其 分散均勻。待其分散均勻后加入二硫蘇糖醇，攪拌使其分散均勻，然后將混合液在95°C的條 件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2~3天，然后冷凍干燥，得到 摻硫石墨稀氣凝膠材料； b、 制備摻硫石墨烯氣凝膠紙電極:將步驟a制得的摻硫石墨烯氣凝膠與預(yù)先配制的聚 乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取〇. 1~〇. 4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上，冷凍 干燥，得到摻硫石墨烯氣凝膠紙電極； c、 電化學(xué)法去除水中鈣離子:配制鈣離子溶液，量取鈣離子溶液置于電吸附容器中，將 步驟b中制得的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極對鈣離子進(jìn)行電吸附實驗。電吸附鈣離子實驗采 用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對電極，甘汞電極為參比電極。同時使用 電導(dǎo)率儀實時監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時，即摻硫石墨烯氣凝膠紙電極 吸附達(dá)到平衡； d、 脫附再生使用后的電極:對于達(dá)到吸附飽和的摻硫石墨烯氣凝膠紙電極，撤去電極 上的電壓后，溶液的電導(dǎo)率恢復(fù)至接近初始值，實現(xiàn)電極的脫附再生。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，其特征 是:所述步驟a中二硫蘇糖醇與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95°C，反應(yīng)時間為2 ~4h〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種S元素修飾石墨烯電極去除水中硬度鈣離子的方法，其特征 是:所述步驟c中電吸附水中的離子為Ca2+。
【文檔編號】C02F1/469GK105967288SQ201610517269
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】魏永, 徐斕, 趙威, 廖旭, 崔文怡, 王鈺, 李如意, 呂曉港
【申請人】常州大學(xué)