[发明专利]一种氧化石墨烯-微晶纤维素复合吸附球及其制备方法

说明书

本发明公开一种氧化石墨烯‑微晶纤维素复合吸附球及其制备方法，属于吸附材料技术领域。其中提供的氧化石墨烯‑微晶纤维素复合吸附球为通过将一定比例的氧化石墨烯和微晶纤维素在氢氧化钠/尿素体系下复合，并使用优化工艺条件下配制的乳化剂制备成球，以及在冷冻干燥条件下获得，该制备方法简单易行，并且提供的氧化石墨烯‑微晶纤维素复合吸附球兼具有机械性能好、比表面积大和吸附效果好的特点，可以应用于处理重金属离子污染的环境问题。

技术领域

本发明属于吸附材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯-微晶纤维素复合吸附球及其制备方法，尤其涉及一种氢氧化钠/尿素体系下制备的氧化石墨烯-微晶纤维素复合吸附球及其在处理重金属离子污染中的应用。

背景技术

纤维素主要来源于自然界储量丰富的植物纤维素，其中工业应用中主要的纤维素来源于棉花和木浆。纤维素分子由D-脱水吡喃葡萄糖酐(AGU)为结构单元，其链状构造是一种线型间规均聚物，每个AUG单元以β-(1-4-糖酐键)连接而成。纤维素的每一个单元的AGU上都有羟基，而这些活跃的羟基可以进行伯醇和仲醇反应。AUG单元的氧桥和六碳糖环上的氧原子参加纤维素分子内分子链的构建，降解成葡萄糖；以及参加分子间相互作用等过程，分子间作用力主要为氢键。

目前获取纤维素主要有两个途径，其一是人工合成，由体外的酶催化纤维素单体葡萄糖及葡萄糖衍生物，某些多糖也可以经催化，制备一定分子量的，高均一织态结构的多聚葡萄糖。其二是植物和海藻通过光合作用合成的葡萄糖，纤维素以多聚葡萄糖的形式存在于植物和海藻细胞内。

常温常压下，作为大分子的纤维素不溶于水，不溶于乙醇、丙酮和乙醚等常见的有机溶剂，也不溶于稀碱中。由于纤维素分子间的相互作用存在大量的氢键，再加上分子量巨大，与大部分溶剂不亲和，因此，在常温下，纤维素是一种比较稳定的高分子有机化合物。

氧化石墨烯(graphene oxide，GO)作为石墨烯的衍生物，它是将石墨进行氧化插层处理，使部分碳原子由sp2杂化状态转变为sp3杂化状态。与石墨烯相比GO片层平面和边缘存在丰富的羟基、环氧基、羰基和羧基，这些含氧基团使得氧化石墨烯的性质变得非常特殊；并且这些含氧基团都是亲水基团，所以氧化石墨烯具有良好的亲水性，能够均匀稳定地分散于水中，形成稳定的水性溶胶。氧化石墨烯分散液经过脱水后，sp2区域的π-π键与含氧官能团之间的氢键相互作用使GO二维片层之间紧密结合，片层之间的黏附作用使GO具有良好的力学性能。同时，含氧基团使GO具有多个活性位点，可以大量吸附有机物或者金属离子。

目前，实验室制备氧化石墨烯的方法主要是：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。其中Hummers法是现在最常用的方法，该方法在制备氧化石墨烯过程中反应速度较快，同时也比较安全，适合实验室条件下的大量制备。Hummers法使用石墨粉末与浓硫酸/高锰酸钾溶液反应，得到棕色的带有羟基、环氧基团以及边缘带羧基的石墨薄片。

氧化石墨烯与纤维素复合材料的制备为选择纤维素和氧化石墨烯分散于同一体系。该体系要求既可溶解纤维素，又能让氧化石墨烯分散于其中。溶解纤维素体系主要分为传统溶剂体系和新型溶剂体系，传统溶剂体系主要为CS2/NaOH体系和铜乙二胺体系，但传统体系不够环保，工艺流程复杂。新型溶剂体系主要包括氯化锂/二甲基乙酞胺(LiCl/DMAc)体系、离子液体体系、NaOH-尿素体系(碱脲体系)，在这几者新型溶剂体系中NaOH-尿素体系不用加热，只需-10℃既可溶解纤维素，同时所用强碱在实验室中仅达到毫摩尔级，几乎不产生多余排放，是一种理想的节能、环保的绿色化学体系。