一种s元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法
【专利摘要】本发明涉及一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，包括以下步骤：制备掺硫石墨烯气凝胶、制备掺硫石墨烯气凝胶纸电极、在三电极体系下通过纸电极对不同的锰离子进行吸附。本发明的有益效果是：掺硫石墨烯气凝胶的制备方法简便易行，制备过程环保无污染，以这些材料修饰的电极对于水中锰离子的吸附效率高、速度快、操作简便，能够有效地去除水中的锰离子。
【专利说明】
一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，属于水处理和材 料合成领域。 技术背景
[0002] 锰是自然界中较丰富的元素之一，也是生物体所必需的微量元素之一。但水中若 含有过量的锰，将会使工业用水和生活饮用水的利用质量下降。含锰废水的主要来源是:钢 铁企业的外排废水，电解锰生产企业废水，锰矿石矿井污染水，黑色金属矿山、冶金、化工排 放的废水等。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定:水中锰含量小于0.1mg/L即 不会对人体健康产生危害。当原水中锰的含量超过上述标准时，就要进行处理。
[0003] 对水中锰离子的处理方法有很多种：电吸附、反渗透、化学沉淀法等。电吸附相对 于其他的水处理方法，具有无二次污染、能耗低、投资少、使用寿命长和易再生等优点，是一 种既经济又有效的方法。因此，电吸附技术是一种具有发展前途的水处理技术。
[0004] 石墨烯气凝胶作为一种新兴的优良吸附剂，具有比表面积大，吸附速度快，吸附容 量大，耐酸耐碱等优点，最主要是其再生方便，符合锰离子处理要求，被广泛应用于水的净 化处理。本发明利用石墨烯气凝胶的大比表面积以及高的电子转移率用于去除水中的锰离 子。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是将S元素修饰石墨烯电极应用于一个新的领域一电吸附水中锰离 子中。将掺硫石墨烯气凝胶制成吸附电极后能有效的吸附水中的锰离子。
[0006] 本发明涉及一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，包括以下步骤：
[0007] a、制备掺硫石墨烯气凝胶:将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，超声10~30min 使其分散均匀。待其分散均匀后加入二硫苏糖醇，搅拌使其分散均匀。然后将混合液在95°C 的条件下进行水浴加热2h。反应结束后，将产物置于蒸馏水中沉浸2~3天，然后冷冻干燥， 得到掺硫石墨稀气凝胶材料；
[0008] b、制备掺硫石墨稀气凝胶纸电极:将步骤a制得的掺硫石墨稀气凝胶与预先配制 的聚乙烯醇溶液混合，形成糊状的分散液，移取0.1~〇.4mL的分散液均匀涂抹于硬纸片上， 冷冻干燥，得到掺硫石墨烯气凝胶纸电极；
[0009] c、电化学法去除水中锰离子:配制锰离子溶液，量取锰离子溶液置于电吸附容器 中，将步骤b中制得的掺硫石墨烯气凝胶纸电极对锰离子进行电吸附实验。电吸附锰离子实 验采用三电极体系，以纸电极为工作电极，铂片电极为对电极，甘汞电极为参比电极。同时 使用电导率仪实时监测溶液电导率的变化，当电导率保持不变时，即各纸电极吸附达到平 衡。
[0010] 进一步，步骤a中二硫苏糖醇与氧化石墨烯的质量比为3:1，反应温度为95°C，反应 时间为2~4h。
[0011] 进一步，步骤C中电吸附水中的离子为Mn2+。
[0012] 本发明的有益效果是:掺硫石墨烯气凝胶的制备方法简便易行，制备过程环保无 污染，以这些材料修饰的电极对于水中锰离子的吸附效率较高、时间短、操作简便，材料的 电吸附性能与以往材料相比也有了大幅的提升。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0014] 图1为实施例一中制备的掺硫石墨烯气凝胶的红外谱图(FT-IR图）；
[0015] 图2为实施例二中溶液中Mn2+初始浓度对Mn2+去除率的影响；
[0016] 图3为实施例三中掺硫石墨烯气凝胶纸电极的吸附性能随再生次数的变化。
【具体实施方式】
[0017] 现在结合具体实施例对本发明做进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是 对本发明的进一步限定。
[0018] 在本发明详细叙述和实施例子中所示的锰离子去除率是按下述方法测定的：
式中，分别表示Mn2+的去除率、初始浓度、平衡浓度。
[0019] 实施例一：
[0020] 制备掺硫石墨烯气凝胶材料纸电极包括以下几个步骤：
[0021 ] (1)将0.15g的氧化石墨稀(GO)超声分散在100mL蒸馏水中，再加入0.45g的二硫苏 糖醇，机械搅拌使其充分混合，然后将混合液在95°C的条件下进行水浴加热2h。反应结束 后，将生成的产物沉浸于蒸馏水中2~3天，最后样品在-52°C冷冻干燥24h，得掺硫石墨烯气 凝胶。
[0022] (2)将9Omg步骤（1)制得的掺硫石墨稀气凝胶材料加入2mL 4wt %的聚乙稀醇溶 液，超声使复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的硬纸 片(厚400M1)上，于-5 2 °C冷冻干燥12h，制成掺硫石墨稀气凝胶纸电极。
[0023] 实施例二：
[0024]掺硫石墨烯气凝胶纸电极的制备过程与实施例一相同。
[0025]将制备的掺氮石墨烯气凝胶纸电极分别用于0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的Mn2+溶液 的电化学处理，施加电压为0.3V，处理时间为2min，Mn2+的去除率见图2，可见掺氮石墨烯气 凝胶材料对低浓度的Mn 2+溶液有较好的吸附效果。。
[0026] 实施例三：
[0027] 掺硫石墨烯气凝胶纸电极的制备过程与实施例一相同。
[0028] 对掺硫石墨烯气凝胶纸电极进行循环电吸附试验。将掺硫石墨烯气凝胶纸电极置 于80mL浓度为0.25mmol/L的Mn2+溶液中，施加电位-0.3V，并记录溶液电导率，2min后再次记 录溶液的电导率，计算去除率。随后撤去电位让其脱附，连续循环多次。实验结果如图3所 示。首次吸附Mn 2+去除率为78.7%，在经过30次的循环使用后电极对Mn2+去除率为77.3%， 只有略微的下降，但当继续进行循环实验时电吸附去除率有较明显的下降，80次循环使用 后去除率为72.3%。
【主权项】
1. 一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，其特征在于:步骤如下： a、 制备掺硫石墨烯气凝胶:将氧化石墨烯超声分散于去离子水中，超声10~30min使其 分散均匀。待其分散均匀后加入二硫苏糖醇，搅拌使其分散均匀，然后将混合液在95°C的条 件下进行水浴加热2h。反应结束后，将产物置于蒸馏水中沉浸2~3天，然后冷冻干燥，得到 掺硫石墨稀气凝胶材料； b、 制备掺硫石墨烯气凝胶纸电极:将步骤a制得的掺硫石墨烯气凝胶与预先配制的聚 乙烯醇溶液混合，形成糊状的分散液，移取〇. 1~〇. 4mL的分散液均匀涂抹于硬纸片上，冷冻 干燥，得到掺硫石墨烯气凝胶纸电极； c、 电化学法去除水中锰离子:配制锰离子溶液，量取锰离子溶液置于电吸附容器中，将 步骤b中制得的掺硫石墨烯气凝胶纸电极对锰离子进行电吸附实验。电吸附锰离子实验采 用三电极体系，以纸电极为工作电极，铂片电极为对电极，甘汞电极为参比电极。同时使用 电导率仪实时监测溶液电导率的变化，当电导率保持不变时，即掺硫石墨烯气凝胶纸电极 吸附达到平衡； d、 脱附再生使用后的电极:对于达到吸附饱和的掺硫石墨烯气凝胶纸电极，撤去电极 上的电压后，溶液的电导率恢复至接近初始值，实现电极的脱附再生。2. 根据权利要求1所述一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，其特征是： 所述步骤a中二硫苏糖醇与氧化石墨烯的质量比为3:1，反应温度为95°C，反应时间为2~ 4h〇3. 根据权利要求1所述一种S元素修饰石墨烯电极去除水中锰离子的方法，其特征是： 所述步骤c中电吸附水中的离子为Mn2+。
【文档编号】C02F101/20GK105967287SQ201610517023
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】魏永, 徐斓, 赵威, 廖旭, 崔文怡, 王钰, 李如意, 吕晓港
【申请人】常州大学