[发明专利]一种二氧化钛/壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于环境新型材料和水处理技术领域，具体涉及一种二氧化钛/壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备方法与应用。 

背景技术

砷是一种普遍存在的有毒的物质，主要以无机盐阴离子,如砷酸盐(AsO₄^3-)和亚砷酸盐(AsO₃^3-)的形式存在于自然水系中，这两类砷化物可通过呼吸道、食物或皮肤接触等方式进入人体内。人们若长期饮用或接触高砷水，会引发身体各种病变和癌变。由于自然和人为的原因，世界上的许多国家存在严重的砷污染问题，最新的报道显示，我国北方广大农村地区饮用水存在着十分严重的砷污染，砷污染是许多地方成为“癌症村”的主要诱因之一。 

目前为止传统的除砷方法，如沉淀法、离子交换法、膜分离方法、生物法和吸附法等应用较广，其中吸附法成本低、工艺简单、效率高，是最为理想的除砷方法。但是常用的吸附剂均存在着重复利用率不高，难于固液分离和可能引入其他重金属污染等问题。 

壳聚糖被认为是一种良好的有机生物吸附剂，无毒无害，来源广泛，但壳聚糖的稳定性不强，因而限制了其进一步的应用；二氧化钛对三价砷的光催化氧化效率高，且吸附效果好，稳定性强，但二氧化钛颗粒小，机械强度差，难以实现固液分离，因而限制了其直接作为吸附剂的应用；石墨烯由于其优异的物理化学性质，在各领域已获得了广泛的关注，其中石墨烯巨大的比表面积和优异的机械强度等性质可被利用于吸附材料的研发，但由于氧化石墨烯亲水，在溶液中易于团聚，也限制了其应用范围；所以将各种材料的优良性质组合成为复合材料是一种理想的解决方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种易于制备和固液分离、无污染、低消耗的新型复合除砷吸附材料。 

本发明主要利用了壳聚糖成胶的基础上，成功添加了二氧化钛和氧化石墨烯层片；利用了二氧化钛的催化氧化、吸附砷的性能，另外，氧化石墨烯的加入大大增强了水凝胶的机械性能；同时采用了改良的hummers方法制备出了氧化程 度更高的氧化石墨，使得超声后的氧化石墨烯表面含有更多的含氧基团，对重金属有着更强的络合作用。该复合材料具体制备方法为先采用改良的hummers方法制备氧化石墨，之后将0.05-0.1g的氧化石墨分散于50mL体积分数为5%-8%的稀醋酸中，常温下向分散液中加入壳聚糖粉末，持续搅拌3-5h，然后在40℃-60℃恒温条件下缓缓加入二氧化钛，持续搅拌反应1-3h，使之形成胶液；之后再将反应好的胶液经注射器缓缓滴加到0.1M氢氧化钠溶液中，静置4-12h，待胶体稳定后过滤，用去离子水洗涤3-5次，置于冷冻干燥机中干燥，得到粒径为1-2mm的淡灰色固体颗粒复合材料。 

上述方法中所述改良的hummers方法具体为，将1.5g石墨粉投加到装有H₂SO₄/H₃PO₄为180ml/20ml的烧杯中，该系统置于冰水浴中，再加入9g高锰酸钾，反应0.5-1h后，放置于50℃恒温水浴中搅拌12小时；将反应物冷却到室温后，加入盛有3mL30%H₂O₂的200mL冰的烧杯中，充分反应后用300μm的金属滤网过滤；将所得滤液离心分离后倒掉上清液，离心后的滤渣用去离子水洗涤1-3遍后，再用5-10%稀盐酸洗涤后再离心分离，直到上清液澄清且检测不到硫酸根离子，再用有机溶剂洗涤1-3遍后离心分离；得到产物置于冷冻干燥机中干燥。 

上述制备氧化石墨中洗涤所用有机溶剂可以为乙醇、丙酮中的一种。 

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述复合材料的应用，具体是将所述的复合材料用于去除废水中的砷离子。 

上述应用中，复合材料用作吸附剂时的添加量为每升含砷废水添加0.4-5g，所述用于含砷废水处理的pH控制在5-7，砷离子的浓度为500μg/L-10000μg/L，温度控制在25℃-35℃。