[发明专利]一种协同电催化水中重金属和有机物的石墨烯基吸附剂的制备及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种协同电催化废水重金属离子及有机物的石墨烯基材料的制备方法及应用，属于环境保护中的水处理领域。

背景技术

随着废水成分的不断复杂化，重金属和有机物混合废水的处理逐渐受到人们的关注。金属离子的毒性大、分布广、不易降解，在环境中长期存在将会通过低级生物及植物等不断富集，最终通过食物链进入人体，对人体造成致畸致癌致突变等严重影响。有机物废水色度高，有异味。有些废水散发出刺鼻恶臭，给周围环境造成不良影响。一般常用的物化法有萃取法、吸附法、浓缩法、超声波降解法等。研究表明重金属及有机物释放到环境中的将对生态和人类健康产生严重威胁。因此，必须采取适当措施，从水体中去除这些具有严重危害的混合废水。

电催化已被证明是处理废水中污染物的有效方法之一。其机理和动力学已被广泛研究。传统的电催化处理废水的方法通常采用二维电极处理系统，并且大多只针对于单一成分的污染物。在三维电极系统中，当两个主电极片之间加电压后，粒子电极将被极化，成为一个个为电解区，将大大提高整个系统对污水的处理效果。由高性能的材料作为第三粒子电极，粒子电极通过吸附将污染物吸附到周围，再通过电解作用将吸附到周围的污染物电解去除，粒子电极将被活化，可以再次吸附污染物到周围再进行电解反应。上述反应将在三维电极系统中形成吸附-电催化-再吸附-再电催化的循环反应，这将大大的提升其对污染物的处理效果。因此，制备能够同时去除多种污染物的材料用于电催化体系将有一定的实用价值。

由于Cr在水环境中以Cr(VI)和Cr(III)两种形式存在，而Cr(VI)比Cr(III)的毒性更强，在水溶液中不易被去除，具有更远的迁移性，经植物富集再经食物链，将对人体健康造成非常大的威胁。Cr(VI)是美国环保署认定的五毒重金属之一，具有致畸致癌致突变的作用。环境内分泌干扰物是一种常见的有机污染物。其中，具有致畸、致白血病作用的双酚A（BPA）在婴儿的奶瓶中甚至引用水源中被发现。因此，本发明主要针对于水中Cr(VI)及BPA两种污染物的混合溶液的去除，制备协同去除两种重金属的石墨烯基材料。

Sun等人将Au和Pd合成在碳纳米管上，将其作为粒子电极应用于三维电极处理系统中，该系统可以实现同时还原重金属Cr(VI)和氧化重金属As(III)。由此，本发明将利用三维电极同时氧化和还原的特性，针对于Cr(VI)及BPA两种污染物的混合溶液的去除，制备一种协同去除两种污染的材料作为粒子电极构筑三维电极反应系统。石墨烯作为一种具有高比表面积的三维孔洞结构的高性能新型材料广泛的应用于各领域的研究。本课题组前期制备的氮掺杂的石墨烯复合材料作为粒子电极应用于双酚A（BPA）的电催化得到的去除效果大于90%（Journal of Hazardous Materials，2017年，第332期，第70-78页）。聚吡咯作为一种导电聚合物将大大提高其作为粒子电极的导电作用。由于其与重金属之间可以发生氧化还原作用，也被大量的用于重金属废水的处理中。Tian等人利用聚吡咯的抑制析氢作用，将其作为改性材料复合到电极上，用于去除Cr(VI)的重金属废水（Journal of Hazardous Materials，2012年，第15期，第225-226页）。本发明将综合石墨烯及聚吡咯的优点，将其复合成为气凝胶作为粒子电极用于构筑协同去除Cr(VI)及BPA的三维电极系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备协同电催化有机物和重金属混合溶液的石墨烯基气凝胶粒子电极的方法及其在水处理中的应用，可实现在30分钟内对混合污染物高效协同的去除。

本发明提供一种协同电催化有机物及重金属混合溶液的石墨烯基气凝胶粒子电极的制备方法，包括如下步骤：

（1）将200 mg氧化石墨烯在100 ml超纯水中用超声波细胞破碎器超声处理10 h，得到分散均匀的氧化石墨烯溶液待用；

（2）将吡咯单体溶液进行减压蒸馏，对组合装置进行抽真空，用锡纸包裹整套装置，防止蒸馏出来的吡咯再次氧化，在氮气条件下100°C热水浴中蒸馏，得到新鲜吡咯单体待用；

（3）将适量的FeCl₃·6H₂O加入到10 ml去离子中超声分散至FeCl₃·6H₂O完全溶解待用；

（4）取25 ml聚四氟乙烯内衬，加入5 ml氧化石墨烯分散液，再加入0.5 ml新鲜的吡咯单体，在超声波细胞破碎器中将混合溶液超声10 min，使两种溶液混合均匀待用；