一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備及金屬離子吸附裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，及其超快速多步吸附水中金屬離子的應用。本發明以氧化石墨烯GO水溶液和聚氧化乙烯PEO水溶液制備得到GO?PEO液態吸附劑。利用此種高效液態吸附劑，設計串聯吸附裝置，可實現混合金屬離子的超快速高效去除，在處理金屬離子污染的水質方面有好的應用前景。
【專利說明】
一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備及金屬離子吸附 裝置
技術領域
[0001] 本發明提出"液態吸附劑"概念，涉及材料技術領域中制備高性能金屬離子吸附劑 的方法，具體是指一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備及基于此類液態吸附劑設計 的一種金屬離子吸附裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，由于社會經濟的快速發展，工農業廢棄物的任意丟棄，尤其是工業廢水的 超標排放，已導致嚴重的環境問題。由重金屬離子造成的惡性污染事件在全球頻繁發生。重 金屬既可以直接進入水體、土壤和大氣，造成對多種環境要素的直接污染，也可以在水體、 土壤和大氣中相互轉移，造成對各類環境要素的間接污染。因此，如何去除廢水中的重金屬 離子成為目前研究領域亟待解決的問題。
[0003] 眾多重金屬去除技術如絮凝法、沉淀法、生物修復法、吸附法等，吸附法由于治理 過程不產生二次污染、效果顯著、設備簡單、工藝成熟等特點而在實際生產生活中得到廣泛 的應用。吸附劑的開發是吸附法成功應用的關鍵技術。它需要具備吸附效果好、吸附選擇性 好、吸附速率快、容易再生和重復利用、機械強度高、化學性質穩定、材料來源廣和價格低廉 等條件。近年來，國內外報道的吸附劑主要包括礦物吸附劑、天然吸附劑、傳統碳材料吸附 劑、新型碳材料吸附劑以及納米化合物吸附劑等(參考文獻1: Kuppusamy Vi jayaraghavan， Umid M.Joshi.Chicken Eggshells Remove Pb(II)Ions from Synthetic Wastewater [J] .Environmental Engineering Science，2013(30) :2)。為了便于儲存，上述吸附劑的形 式都是固態物質。固態吸附劑尤其是納米材料吸附劑，使用過程中某些團聚的微結構很難 再次分散開，嚴重影響材料的吸附性能。
【發明內容】
[0004] 為了解決現有技術中固態吸附劑存在的問題，本發明提供一種現用現制的高活性 液態吸附劑及基于所述的液態吸附劑的金屬離子吸附裝置。本發明提出液態吸附劑的概 念，利用有機物修飾的氧化石墨烯復合材料的水溶液制備了超快速、高效液態吸附劑。此吸 附劑制備方法簡單、易于操作，原材料氧化石墨烯容易獲得。另外原材料價廉，可大量工業 購買。所制備的液態吸附劑具有高的比表面積及活性位點，它不僅能快速實現對單一金屬 離子或混合金屬離子的超快速(幾十秒達到吸附平衡）、高效去除，并且均勻懸濁液的液態 吸附劑在吸附足夠金屬離子后會沉降，形成絮狀物質，便于吸附劑的回收再利用。
[0005] 本發明提供的一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，具體包括如下步驟：
[0006] 第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0007] 第二步，將水溶性聚合物粉末ΡΕ0(聚氧化乙烯)在25°C下溶于超純水中，超聲至完 全溶解，得到聚合物ΡΕ0水溶液。
[0008] 第三步，將G0濃縮液在25°C下稀釋，超聲分散均勻，得到G0水溶液。
[0009] 第四步，將GO水溶液放入lOOmL單口燒瓶中，在磁力攪拌下將ΡΕ0水溶液滴入其中， 在25 °C下攪拌2h，即可制備得到G0-PE0液態吸附劑。所述的液態吸附劑中所含G0和ΡΕ0質量 比為7:1~1:7。
[0010] 制備G0-PE0液態吸附劑的關鍵是：制備G0濃縮液時不能直接干燥，必須冷凍干燥 或保存為液態濃縮液，否則易團聚，影響液態吸附劑的性能。
[0011] 上述方法制備得到的液態吸附劑，G0和ΡΕ0的質量比為7:1~1: 7。所述的液態吸附 劑可以分別或同時對多種金屬離子實現快速高效的吸附。
[0012] 本發明還提供一種金屬離子吸附裝置，所述裝置包括豎直方向串聯的多個反應 器，每個反應器內水平設置至少一層過濾膜，過濾膜上下均為液態吸附劑。所述裝置可以實 現廢水到凈化水的高效超快速吸附過濾。
[0013] 本發明提供的液態吸附劑及金屬離子吸附裝置與現有技術相比，優點如下：
[0014] (1)G0需要濃縮液保存，ΡΕ0為粉末態，通過水溶液簡單混合即可快速制備液態吸 附劑。所用G0及ΡΕ0均為環境友好型材料。
[0015] (2)突破傳統觀念，G0-PE0液態吸附劑表面的吸附位點都能得到最佳利用;傳統粉 末吸附劑尤其是納米吸附劑，在水溶液中不易分散均勻，團聚嚴重，直接影響了吸附性能。
[0016] (3)傳統粉末吸附劑只能針對1~3種金屬離子吸附，對其他大部分金屬離子吸附 性能較差;而本發明的液態吸附劑，能同時對幾乎所有金屬離子具有優異的吸附效果。
[0017] (4)吸附速率超快，是此液態吸附劑的最大優勢。由于石墨烯的成本問題，每批次 用量較少，所以吸附的金屬離子總量無法與傳統吸附劑相比；但是利用幾十秒達到吸附平 衡的優勢，通過設計串聯裝置，只要經過數次吸附(時間不超過l〇min)，吸附效果(總去除率 和總吸附量)就能遠勝于傳統吸附劑。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明中置于銅網上的G0-PE0吸附劑的透射電鏡圖片。
[0019]圖2A為本發明中G0-PE0吸附劑對Pb (II)的吸附等溫線，內插圖為金屬離子濃度從 20ppm遞增到500ppm吸附沉降圖。
[0020]圖2B為BG0-PE0吸附劑對Pb (II)的吸附過程中時間對吸附量影響示意圖。
[0021 ]圖3為本發明中G0-PE0吸附劑對混合離子的循環吸附效率示意圖。
[0022]圖4為本發明中G0-PE0吸附劑對混合離子吸附的串聯裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0024] 實施例1
[0025] 本實施例提供一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，所述的液態吸附劑采 用攪拌混合法，具體包括以下步驟：
[0026] 第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0027] 米用改進的Hummers 法（參考文獻 2: Wei Gao, Mainak Majumder, Lawrence B.Alemany,et al.Engineered Graphite Oxide Materials for Application in Water Purification，ACS Appl .Mater. Interfaces 2011，3,1821-1826)，即利用強氧化劑剝離石 墨層制得GO濃縮液，其過程如下：
[0028] (1).取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、 2.5g P2〇5,80°C水浴反應6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將 黑色沉淀從溶液中分離出來，60 °C烘干；
[0029] (2).準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中， 隨后加入15g KMn〇4,溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水(保 持溫度不高于50°C);
[0030] (3) .20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2,溶液顏色轉 變為棕黃色；
[0031] (4).將步驟(3)中棕黃色溶液離心，將得到的沉淀用1.5L 10wt. %HC1與1.5L去離 子水洗樣，直至pH=7;將制得的樣品超聲分散，保存G0濃縮液備用。
[0032] 第二步，將10mg水溶性聚合物粉末ΡΕ0(聚氧化乙烯)在25°C下溶于10mL超純水中， 超聲30min至完全溶解，得到聚合物ΡΕ0水溶液。
[0033]第三步，將G0濃縮液在25°C下稀釋，超聲30min分散均勻，得到G0水溶液，確保每 40ml G0水溶液所含G0質量為70mg。
[0034] 第四步，將40mlG0水溶液放入100mL單口燒瓶中，在磁力攪拌下將ΡΕ0水溶液滴入 其中，在25°C下攪拌2h，即可制備得到50ml G0-PE0液態吸附劑。所述的液態吸附劑中所含 G0和ΡΕ0質量比為7:1。
[0035] 所述ΡΕ0的相對分子質量為300000。
[0036] 復合后的產物與G0保持相同的形貌，呈現出二維特性，片層非常薄，表面可以看到 少許褶皺，這也正是產物能夠穩定存在的原因，如圖1所示，置于銅網上的液態吸附劑的表 面的褶皺可以降低自身能量。通過基礎實驗研究得到了液態吸附劑吸附Pb(II)的最佳條 件，即:G0與ΡΕ0復合比例為70:10,吸附溫度條件為室溫。G0與ΡΕ0分別配制成水溶液后以最 佳質量比為7:1混勻，即得液態吸附劑，形態為棕黃透明的懸濁液，片層形態仍為氧化石墨 烯片層結構，表征厚度為1~2層碳原子層。
[0037] 實施例2
[0038]調整液態吸附劑中所含G0和ΡΕ0質量比為1:1，其余條件不變。制備得到不同G0和 ΡΕ0質量比的液態吸附劑。
[0039]第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0040] (1).取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、 2.5g P2〇5,80°C水浴反應6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將 黑色沉淀從溶液中分離出來，60 °C烘干；
[00411 (2).準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中， 隨后加入15g KMn04,溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水(加 保持溫度不高于50°C);
[0042] (3) .20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2,溶液顏色轉 變為棕黃色；
[0043] (4).離心，將得到的沉淀用1.5L 10wt. %HC1與1.5L去離子水洗樣，直至pH = 7;將 制得的樣品超聲分散，保存G0濃縮液備用。
[0044] 第二步，將40mg水溶性聚合物粉末ΡΕ0(聚氧化乙烯)在25°C下溶于lOmL超純水中， 超聲30min至完全溶解，得到聚合物ΡΕ0水溶液。
[0045]第三步，將G0濃縮液在25°C下稀釋，超聲30min分散均勻，得到G0水溶液，確保每 40ml G0水溶液所含G0質量為40mg。
[0046]第四步，將40mlG0水溶液放入100mL單口燒瓶中，在磁力攪拌下將ΡΕ0水溶液滴入 其中，在25°C下攪拌2h，即可制備得到50ml G0-PE0液態吸附劑。所述的液態吸附劑中所含 G0和ΡΕ0質量比為1:1。
[0047] 實施例3
[0048]調整液態吸附劑中所含G0和ΡΕ0質量比為1:7,其余條件不變。制備得到不同G0和 ΡΕ0質量比的液態吸附劑。
[0049]第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0050] (1).取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、 2.5g P2〇5,80°C水浴反應6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將 黑色沉淀從溶液中分離出來，60 °C烘干；
[00511 (2).準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中， 隨后加入15g KMn04,溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水(保 持溫度不高于50°C);
[0052] (3) .20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2,溶液顏色轉 變為棕黃色；
[0053] (4).離心，將得到的沉淀用1.5L 10wt. %HC1與1.5L去離子水洗樣，直至pH = 7;將 制得的樣品超聲分散，保存G0濃縮液備用。
[0054] 第二步，將70mg水溶性聚合物粉末ΡΕ0(聚氧化乙烯)在25°C下溶于10mL超純水中， 超聲30min至完全溶解，得到聚合物ΡΕ0水溶液。
[0055]第三步，將G0濃縮液在25°C下稀釋，超聲30min分散均勻，得到G0水溶液，確保每 40ml G0水溶液所含G0質量為10mg。
[0056] 第四步，將40mlG0水溶液放入100mL單口燒瓶中，在磁力攪拌下將ΡΕ0水溶液滴入 其中，在25°C下攪拌2h，即可制備得到50ml G0-PE0液態吸附劑。所述的液態吸附劑中所含 G0和ΡΕ0質量比為1:7。
[0057] 實施例4
[0058]制備得到G0水溶液，作為對比液態吸附劑。
[0059]第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0000] (1).取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、 2.5g P2〇5,80°C水浴反應6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將 黑色沉淀從溶液中分離出來，60 °C烘干；
[0061 ] (2).準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中， 隨后加入15g KMn〇4,溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水(保 持溫度不高于50°C);
[0062] (3) .20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2,溶液顏色轉 變為棕黃色；
[0063] (4).離心，將得到的沉淀用1.5L 10wt. %HC1與1.5L去離子水洗樣，直至pH = 7;將 制得的樣品超聲分散，保存GO濃縮液備用。
[0064]第二步，將G0濃縮液在25°C下稀釋，超聲30min分散均勻，得到G0水溶液，確保每 50ml G0水溶液所含G0質量為80mg。
[0065] 實施例5
[0066] 制備得到ΡΕ0水溶液，作為對比液態吸附劑。
[0067] 將80mg水溶性聚合物粉末TOO(聚氧化乙烯）在25°C下溶于50mL超純水中，超聲 30min至完全溶解，得到聚合物ΡΕ0水溶液。
[0068]將實施例制備得到的G0-PE0液態吸附劑分別用于水中金屬離子的去除，所述的金 屬離子來自如下所述的金屬鹽，包括硝酸鋰(LiN03)、硝酸鈉(NaN03)、硝酸鎂(Mg(N0 3)2)、硝 酸鉀（KN〇3)、硝酸鈣（Ca(N03)2)、硝酸錳（Mn(N〇3) 2)、硝酸亞鐵（Fe(N03)2)、硝酸鈷（Co (N〇3)2)、硝酸鎳(Ni(N03)2)、硝酸銅(Cu(N0 3)2)、硝酸鋅(Ζη(Ν03)2)、硝酸銀(AgN0 3)、硝酸鎘 (Cd(N03)2)、硝酸鋇(Ba(N03)2)、硝酸萊(Hg(N0 3)2)和硝酸鉛(Pb(N03)2)。通過一系列的吸附 測試，證明本發明的液態吸附劑對金屬離子均有好的吸附效果，此液態吸附劑具有吸附金 屬離子的普適性。
[0069] 取實施例1-5制備的三種比例的G0-PE0液態吸附劑、兩種對比液態吸附劑G0水溶 液和ΡΕ0水溶液各25mL，吸附實驗條件為:Pb2+的初始濃度為80ppm，吸附pH均為7.0，溫度為 25°(：，取樣時間為211。
[0070]表1本發明不同比例的G0與ΡΕ0相復合所制備的液態吸附劑對Pb2+的吸附性能
[0072] 其中，G0和ΡΕ0的質量比分別為(80:0)、（ 70:10)、（ 40:40)所復合而成的液態吸附 劑均具有較好的吸附性能（見表1 )，吸附率分別為46.34%、85.49%和49.92%，其中以G0: PE0(70:10)效果為最佳。
[0073] 取實施例1-3制備的三種比例的G0-PE0液態吸附劑各25mL，吸附實驗條件為:Pb2+ 的初始濃度為80ppm，吸附pH為7.0，溫度為25 °C~90 °C，取樣時間為2h。
[0074]表2本發明不同溫度下G0與ΡΕ0相復合所制備的吸附劑對Pb2+的吸附性能
[0076]表2中，通過改變溫度條件（即25°C~90°C )，可以看到液態吸附劑仍然具有較好的 吸附性能(見表2)，吸附量從10.75mg/g到87.97mg/g，且室溫25°C條件下吸附性能最佳。
[0077] 實施例6
[0078] 第一步，G0(氧化石墨烯)濃縮液的制備。
[0079] (1).取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2O8、 2.5g P2〇5,80°C水浴反應6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將 黑色沉淀從溶液中分離出來，60 °C烘干；
[0080] (2).準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中， 隨后加入15g KMn〇4,溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水(保 持溫度不高于50°C);
[0081 ] (3). 20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2，溶液顏色轉 變為棕黃色；
[0082] (4).離心，將得到的沉淀用1.5L 10wt. %HC1與1.5L去離子水洗樣，直至pH = 7;將 制得的樣品超聲分散，保存GO濃縮液備用。
[0083] 第二步，分別將4mg、8mg、10mg、12mg、16mg水溶性聚合物粉末PE0(聚氧化乙稀）在 25 °C下溶于1 OmL超純水中，超聲30min至完全溶解，分別得到五種濃度的聚合物ΡΕ0水溶液。 [0084]第三步，將G0濃縮液在25 °C下稀釋，超聲30min分散均勻，得到G0水溶液，分別配置 出每40ml G0水溶液所含G0質量為28mg、56mg、70mg、84mg和112mg。
[0085]第四步，分別將40ml五種濃度的GO水溶液分別放入lOOmL單口燒瓶中，在磁力攪拌 下將如表3對應的ΡΕ0水溶液滴入其中，在25 °C下攪拌2h，即可制備得到50ml五種不同濃度 的G0-PE0液態吸附劑。所述的液態吸附劑中所含G0和ΡΕ0質量比為7:1。
[0086]分別取實施例6中共五種G0-PE0液態吸附劑各25mL，吸附實驗條件為:Pb2+的初始 濃度為80ppm，吸附pH為7.0，溫度為25°C，取樣時間為2h。
[0087] 表3本發明不同吸附劑用量對Pb2+的吸附性能
[0089] 其中，通過改變液態吸附劑中用吸附劑總質量，即每25ml含G0-PE0從16mg到64mg 都可以得到較好的吸附性能(見表3)，吸附率從30%到95.64%，且在吸附劑用量為40mg時， 吸附性能最佳。
[0090] 取實施例1中G0-PE0液態吸附劑25mL，吸附實驗條件為:三種金屬離子初始濃度為 80ppm，吸附pH為2-7,溫度為25°C，取樣時間為2h。
[0091 ]表4本發明不同吸附pH條件下對三種金屬離子的吸附性能
[0092]
[0093] 其中，通過改變吸附pH從2-7,都可以得到較好的吸附性能(見表4)，如Ni( Π )的吸 附量從16.6411^/^至丨」96.9611^/^，1^1(11)的吸附量從30.8511^/^到136.4511^/^，？13(11)的吸附 量從35.86mg/g到142.72mg/g，且在吸附pH為7時，吸附性能最佳。但是當大于7時，金屬離子 會發生水解，無法判斷吸附量是來源于吸附本身還是水解。所以確定最佳吸附狀態為pH = 7.
[0094] 分別配制25mL lOppm和lOOOppm的金屬離子標準溶液，金屬離子有Li(I)、Na(I)、 Mg(II)、K(I)、Ca(II)、Mn(II)、Fe(III)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)、Ag(I)、Cd(II)、Ba (II)、Hg(II)、Pb(II)。然后將這些金屬離子標準溶液分別加入實施例1中制備的液態吸附 劑中進行吸附測試。2h后取樣，離心，取上清液，用0.45μπι水系針式過濾器過濾，然后用ICP-0ES測其剩余金屬離子的濃度。如表5所示，本發明的液態吸附劑，對lOppm二價金屬離子的 吸附效率均可達80 %以上。對1 OOOppm所有金屬離子的吸附量均可達40mg/g以上，對二價金 屬離子均可達60mg/g以上，對重金屬離子8&(11)、取(11)、？13(11)更是可達10〇11^/^以上。因 此，液態吸附劑對幾乎所有的金屬離子均具有優異的吸附性能，即低濃度下的高吸附效率 及高濃度下的高吸附量。
[0095] 表5本發明中G0-PE0吸附劑對不同金屬離子的吸附性能。
[0098] 配制一系列不同濃度的Pb(II)標準溶液(分別20ppm~2000ppm)，將這些金屬離子 標準溶液分別加入實施例1中制備的液態吸附劑中進行吸附測試。5分鐘以內每隔一分鐘取 樣，5分鐘后每隔10分鐘取樣，離心，取上清液，用0.45μπι水系針式過濾器過濾，然后用ICP-OES測其剩余金屬離子的濃度。如圖2A、2B，吸附劑對Pb (II)的吸附量最高可達150mg/g以 上，且低濃度（20ppm~lOOppm)下20 s即達到平衡，即使在2000ppm超高濃度下30min也可達 到平衡，可以看出，液態吸附劑對不同濃度的金屬離子同樣具有很好的吸附性能。同時圖2A 可以看到，隨著吸附金屬離子的濃度從20ppm到500ppm增大，懸濁液逐步沉降的過程。
[0099] 按照實施例1的方法制備75mLG0-PE0液態吸附劑于200mL錐形瓶中，放入25°C恒溫 水浴振蕩器中。配制25mL初始濃度均為50ppm的混合金屬離子標準溶液，金屬離子有Ni (11)、〇1(11))8(1)、0(1(11)、8&(11)、？&(11)。所述的金屬離子來自金屬鹽包括硝酸鎳(· (N〇3) 2)、硝酸銅(Cu(N〇3)2)、硝酸銀(AgN03)、硝酸鎘(Cd(N〇3) 2)、硝酸鋇(Ba(N〇3)2)和硝酸鉛 (Pb(N03)2)。然后將此混合金屬離子標準溶液加入液態吸附劑中進行吸附測試。2min后將溶 液全部離心，取上清液0.2ml，用稀硝酸稀釋至4ml，用0.45μηι水系針式過濾器過濾，然后用 ICP-0ES測其剩余混合金屬離子的濃度。剩余的99.8ml上清液蒸發濃縮至25ml，繼續加入等 量液態吸附劑進行第二次吸附，重復操作，直至達到降解要求。由于多種金屬離子混合，總 金屬離子濃度較高。本發明的液態吸附劑的主要特色是超快速吸附（二十秒吸附平衡），經 過4次循環后（時間不超過lOmin)，吸附效率已可達90%以上（如圖3)。且Ba(II)、Pb(II)重 金屬離子經1-2次即可達100%去除率。所謂超快速即在很短時間內（30s)就可以達到吸附 的平衡。
[0100]本發明還提供一種金屬離子吸附裝置，所述的金屬離子吸附裝置包括在豎直方向 串聯的一個以上反應器，在每個反應器中間平行于底面放入至少兩層孔徑〇. 2-0.45μπι的過 濾膜，將反應器分隔為至少三個部分，所述的過濾膜只允許水和金屬離子通過;在反應器側 面用水栗等壓力裝置將G0-PE0液態吸附劑推入每個反應器內；同時，在反應器最上部倒入 含有金屬離子的溶液(待凈化的廢水），最下層的反應器用壓力裝置加速濾液流出，廢水在 反應器內進行吸附，吸附產生的沉淀可由過濾膜阻擋，吸附后的濾液(含凈化水和廢水)流 入下一個反應器，與新的G0-PE0吸附劑相遇從而繼續進行吸附，直至最后獲得凈化水。每步 吸附金屬離子的量與設計串聯的級數，可根據實際需要設計。
[0101] 此液態吸附劑的優勢是，能快速處理痕量(甚至低于l〇ppm)到高濃度(2000ppm)的 多種金屬離子(廣泛性），且可通過多步串聯裝置，快速實現單一或混合離子的去除，工業效 率高。此吸附劑吸附離子達到飽和后，沉降出的絮狀物利于吸附劑回收，直接通過空氣中高 溫燃燒去除其中的碳元素，得到對應金屬的氧化物，實現金屬離子的便捷回收，減少了環境 污染。缺點是，這類吸附劑屬于消耗型。它適用污水末端排放的超級凈化。
【主權項】
1. 一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，包括以下步驟： 第一步，氧化石墨烯GO濃縮液的制備； 第二步，將水溶性聚合物粉末聚氧化乙烯PE0溶于超純水中超聲至完全溶解，得到聚合 物PE0水溶液； 第三步，將GO濃縮液稀釋，超聲分散均勻，得到GO水溶液； 第四步，將GO水溶液放入單口燒瓶中，在磁力攪拌下將PE0水溶液滴入其中，攪拌即可 制備得到液態吸附劑。2. 根據權利要求1所述的一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，其特征在于:所 述PE0的相對分子質量為300000，所述的液態吸附劑中所含GO和PE0質量比為7:1~1:7。3. 根據權利要求1所述的一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，其特征在于:所 述GO濃縮液的制備采用的是改進的Hummers法即利用強氧化劑剝離石墨層制得，其過程如 下： (1) 取15mL濃硫酸于50mL燒瓶中，在攪拌下依次加入3g石墨粉末、2.5g K2S2〇8、2.5g P2〇5，80°C水浴6h后，緩慢加入到裝有500mL去離子水的大燒瓶中，使用離心機將黑色沉淀從 溶液中分離出來，60°C烘干； (2) 準備冰浴，取115mL濃硫酸于大燒杯中，攪拌下將上述烘干的物質加入其中，隨后加 入15g KMn〇4，溶液顏色變為墨綠色，35°C下攪拌2h后，緩慢滴加250mL去離子水并保持溫度 不高于50°C; (3) 20°C下繼續攪拌2h，隨后依次加入700mL水與10ml 30wt. %H2〇2，溶液顏色轉變為棕 黃色； (4) 將步驟(3)中棕黃色溶液離心，將得到的沉淀用1.5L 1 Owt. %HC1與1.5L去離子水 洗樣，直至pH=7;將制得的樣品超聲分散，保存濃縮液體備用。4. 根據權利要求1所述的一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，其特征在于:所 述的PE0水溶液中，10mL超純水中含有10mg~70mgPE0。5. 根據權利要求1所述的一種超快速金屬離子通用液態吸附劑的制備，其特征在于:所 述的GO水溶液中，每40ml GO水溶液所含GO質量為10mg~70mg。6. -種超快速金屬離子通用液態吸附劑，其特征在于:所述的液態吸附劑中所含GO和 PE0質量比為7:1~1: 7;形態為棕黃透明的懸濁液，片層形態為氧化石墨烯片層結構，表征 厚度為1~2層碳原子層。7. -種超快速金屬離子通用液態吸附劑的應用，其特征在于:應用所述的吸附劑，吸附 溫度為室溫25°C ;除Hg(II)的吸附pH為2.0以外，其他金屬離子吸附pH均為7.0。8. -種金屬離子吸附裝置，其特征在于:包括在豎直方向串聯的一個以上反應器，在每 個反應器中間平行于底邊放入至少一層過濾膜，所述的過濾膜只允許水和金屬離子通過； 每個反應器內注入液態吸附劑；同時，在反應器最上部倒入含有金屬離子的待凈化的廢水， 廢水在反應器內經過液態吸附劑吸附，吸附產生的沉淀由過濾膜阻擋;直至最后獲得凈化 水。9. 根據權利要求8所述的一種金屬離子吸附裝置，其特征在于:所述過濾膜的孔徑0.2- 0.45um〇
【文檔編號】B01J20/26GK106076289SQ201610436677
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】周葦, 曹薇, 郭林
【申請人】北京航空航天大學