一种氧化石墨烯‑聚乳酸微气泡复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及氧化石墨烯复合材料的技术领域，特别涉及一种氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

水资源是人类不可或缺的自然资源，随着现代工业的飞速发展，大量含铅、铜、铬等重金属离子的工业废水被排放到水体中，重金属离子毒性大，不易降解，长期在水中分散存在，对自然环境造成严重危害。重金属污染已成为当今世界不可忽视的环境污染问题之一。

目前已有很多方法用于除去污水中的重金属，其中最常用的方法为吸附法。氧化石墨烯具有巨大的比表面积，且表面存在大量的环氧基团、羟基、羧基等含氧官能团，具有吸附容量大、吸附迅速等特点，被广泛用于吸附各种重金属。但氧化石墨烯使用后不易从溶液中分离出来，在环境中就会造成二次污染；并且由于氧化石墨烯之间存在的范德华力和π-π堆积作用，很容易在吸附过程中发生不可逆的团聚，降低吸附能力。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明目的在于提供一种氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料用于吸附污水中的重金属，吸附能力强，不易团聚，且吸附后容易分离。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料，包括聚乳酸微气泡和吸附在聚乳酸微气泡表面的氧化石墨烯。

优选的，所述复合材料中氧化石墨烯的质量分数为14～20％。

优选的，所述聚乳酸微气泡的粒径为500nm～1.5μm。

本发明提供了上述方案所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚乳酸微气泡和阳离子高分子聚合物在水中进行第一吸附，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡；

将带有正电荷的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯在水中进行第二吸附，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料。

优选的，所述阳离子高分子聚合物为聚丙烯胺盐酸盐或壳聚糖。

优选的，所述阳离子高分子聚合物和聚乳酸微气泡的质量比为1:20～30。

优选的，所述带有正电荷的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯的质量比为4～6:1。

优选的，所述第一吸附的时间为3～10min；所述第二吸附的时间为10～30min。

优选的，所述聚乳酸微气泡的制备方法包括以下步骤：

将聚乳酸分散于有机溶剂中，得到油相；

将铵盐溶液加入所述油相中进行超声，得到初级w/o微乳；

将所述初级w/o微乳加入亲水性聚合物水溶液中进行均质处理，得到复合w/o/w微乳；

将所述复合w/o/w微乳和醇溶液混合后去除有机溶剂，得到聚乳酸微球；

将聚乳酸微球进行冷冻干燥，得到聚乳酸微气泡。

本发明提供了上述复合材料在重金属离子吸附中的应用。

本发明提供了一种氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料，包括聚乳酸微气泡和吸附在聚乳酸微气泡表面的氧化石墨烯。本发明将氧化石墨烯修饰在聚乳酸微气泡表面，将二者的优点充分结合，使本发明的复合材料既有氧化石墨烯吸附能力强，吸附容量大的特点，又兼具聚乳酸微气泡不易团聚，容易从溶液中分离的特点；使用本发明提供的复合材料吸附污水中的重金属离子，吸附完成后可漂浮在液面上，容易分离，不会造成二次污染，解决了传统的吸附剂不易从溶液中分离的难题。由实施例结果可知，本发明提供的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对重金属离子的吸附量可以达到263mg/g，且在吸附过程中不会发生团聚，吸附后容易从溶液中分离。

附图说明

图1为本发明实施例制备氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料的过程示意图；

图2为本发明实施例1制备的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料的透射电镜图；

图3为本发明实施例1制备的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料在水中分散及静置后的效果图；

图4为本发明实施例3中铅离子初始浓度与氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料吸附量的关系图；

图5为本发明实施例4中铅离子溶液ph值与氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料吸附量的关系图；

图6为本发明实施例4中ph＝5的实验组吸附完成静置后的效果图；

图7为本发明实施例5中吸附时间与氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料吸附量的关系图。

具体实施方式

本发明提供了一种氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料，包括聚乳酸微气泡和吸附在聚乳酸微气泡表面的氧化石墨烯。

本发明提供的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料包括聚乳酸微气泡。在本发明中，聚乳酸微气泡是聚乳酸形成的球状物，内部含有多个空腔，所述聚乳酸微气泡的粒径优选为500nm～1.5μm，更优选为800nm～1.2μm，最优选为1.0～1.1μm。

本发明提供的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料包括吸附在聚乳酸微气泡表面的氧化石墨烯。在本发明中，所述复合材料中氧化石墨烯的质量分数优选为14～20％，更优选为15～18％；所述氧化石墨烯的粒径优选为1～3nm，更优选为2nm。

本发明提供了上述方案所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚乳酸微气泡和阳离子高分子聚合物在水中进行第一吸附，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡；

将带有正电荷的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯在水中进行第二吸附，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料。

本发明将聚乳酸微气泡和阳离子高分子聚合物在水中进行第一吸附，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡。在本发明中，所述聚乳酸微气泡的制备方法优选包括以下步骤：

将聚乳酸分散于有机溶剂中，得到油相；

将铵盐溶液加入所述油相中进行超声，得到初级w/o微乳；

将所述初级w/o微乳加入亲水性聚合物水溶液中进行均质处理，得到复合w/o/w微乳；

将所述复合w/o/w微乳和醇溶液混合后去除有机溶剂，得到聚乳酸微球；

将聚乳酸微球进行冷冻干燥，得到聚乳酸微气泡。

本发明将聚乳酸分散于有机溶剂中，得到油相。在本发明中，所述有机溶剂优选为二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基亚砜和n，n-二甲基甲酰胺中的一种或几种；所述聚乳酸的质量和有机溶剂的体积比优选为400～600mg：10ml，更优选为500mg：10ml；本发明优选在室温下进行分散，无需进行额外的加热和降温；本发明优选在搅拌条件下进行分散；本发明对搅拌的具体方式没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的，能够将聚乳酸分散均匀的搅拌方式即可，具体的如机械搅拌和磁力搅拌。

得到油相后，本发明将铵盐溶液加入所述油相中进行超声，得到初级w/o微乳。在本发明中，所述铵盐优选为碳酸铵或硫酸铵；所述铵盐溶液的质量浓度优选为3～5％，更优选为4％；所述油相和铵盐溶液的体积比优选为8～20:1，更优选为10～15:1。在本发明中，所述超声的功率优选为80～150w，更优选为90～120w，最优选为110w；所述超声的时间优选为20～50s，更优选为30s。在本发明中，超声可以使油相和铵盐溶液发生乳化，使油相(聚乳酸相)包裹铵盐溶液，得到初级w/o微乳。

得到初级w/o微乳后，本发明将所述初级w/o微乳加入亲水性聚合物水溶液中进行均质处理，得到复合w/o/w微乳。在本发明中，所述亲水性聚合物优选为聚乙烯醇、葡萄糖、壳聚糖和透明质酸中的一种或几种；所述亲水性聚合物水溶液的质量浓度优选为4～8％，更优选为5％；所述初级w/o微乳和亲水性聚合物水溶液的体积比优选为1:1～3，更优选为2。本发明优选将初级w/o微乳滴加到亲水性聚合物水溶液中，更优选将室温下的初级w/o微乳滴加到3～5℃的亲水性聚合物水溶液中；所述滴加的速度优选为1～5滴/秒，更优选为2～3滴/秒。

在本发明中，所述均质处理的转速优选为8000～10000rpm，更优选为9000rpm；所述均质处理的时间优选为4～6min，更优选为5min；所述均质处理的温度优选为0～5℃，更优选为4℃；本发明对均质处理使用的仪器没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的，能够进行均质处理的仪器即可，具体的如高速分散均质机。在本发明中，所述均质处理能够使初级w/o微乳和亲水性聚合物水溶液发生乳化，得到复合w/o/w微乳；在本发明中，所述亲水性聚合物水溶液在w/o微乳表面形成一层保护层，可以避免液滴的凝聚，同时增加w/o微乳的亲水性。

得到复合w/o/w微乳后，本发明优选将所述复合w/o/w微乳和醇溶液混合后去除有机溶剂，得到聚乳酸微球。在本发明中，所述醇优选碳原子数大于3的醇，更优选为异丙醇、丁醇或丁二醇，更优选为异丙醇；所述醇溶液的质量浓度优选为1～3％，更优选为2％；所述复合w/o/w微乳和醇溶液的体积比优选为1:8～20，更优选为1:10；本发明优选通过搅拌去除有机溶剂，在搅拌过程中有机溶剂自然挥发，随着有机溶剂的挥发，聚乳酸会固化成膜，形成聚乳酸微球；所述搅拌优选为磁力搅拌，所述搅拌的时间优选为1～3h，更优选为2h。

得到聚乳酸微球后，本发明优选将包含聚乳酸微球的乳液体系依次进行离心和洗涤，得到聚乳酸微球。在本发明中，所述离心的温度优选为10～20℃，更优选为15℃；所述离心的转速优选为5000～7664rpm，更优选为5500～6500rpm；所述离心的次数优选为2～3次，所述单次离心的时间优选为4～6min，更优选为5min。

所述离心后，本发明优选将离心得到的固体产物洗涤，所述洗涤用洗涤剂优选为正己烷；所述洗涤优选为涡旋洗涤；本发明对涡旋洗涤的具体操作方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的涡旋洗涤方法即可。

所述洗涤后，本发明优选将附着在固体产物上的正己烷自然挥发，得到聚乳酸微球。

得到聚乳酸微球后，本发明优选将所述聚乳酸微球进行冷冻干燥。得到聚乳酸微气泡。在本发明中，所述冷冻干燥的温度优选为-50℃～-55℃，更优选为-53℃；所述冷冻干燥的时间优选为40～50h，更优选为48h。在本发明的具体实施例中，优选将聚乳酸微球和3～5ml水混合，涡旋分散后转入冻干小瓶中进行冷冻干燥。在本发明中，冷冻干燥可以使聚乳酸微球内包裹的铵盐溶液升华，使聚乳酸微球内部形成空腔，得到聚乳酸微气泡。

得到聚乳酸微气泡后，本发明将聚乳酸微气泡和阳离子高分子聚合物在水中进行第一吸附，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡。在本发明中，所述阳离子高分子聚合物优选为聚丙烯胺盐酸盐或壳聚糖；所述聚乳酸微气泡和阳离子高分子聚合物的质量比优选为1:20～30，更优选为1:25。

本发明优选将聚乳酸微气泡制备成水悬浮液，将阳离子高分子聚合物配制成水溶液，再将聚乳酸微气泡水悬浮液和阳离子高分子聚合物水溶液混合进行第一吸附。在本发明中，所述聚乳酸微气泡水悬浮液中聚乳酸微气泡的质量和水的体积比优选为10～20g：100ml，更优选为15g：100ml；所述阳离子高分子聚合物水溶液的浓度优选为0.5～3mg/ml，更优选为1mg/ml；在本发明的具体实施例中，优选向阳离子高分子聚合物水溶液中加入氯化钠，促进阳离子高分子聚合物的溶解；所述氯化钠在阳离子高分子聚合物水溶液中的浓度优选为0.4～0.6mol/l，更优选为0.5mol/l。

在本发明中，所述第一吸附的时间优选为3～10min，更优选为5min；本发明优选在室温下进行第一吸附，无需进行额外的加热和降温；在本发明的具体实施例中，优选在吸附过程中进行轻微的摇晃，以促进吸附的进行。在本发明中，第一吸附过程中阳离子高分子聚合物会吸附在聚乳酸微气泡表面，使聚乳酸微气泡带正电荷。

所述第一吸附完成后，本发明优选对第一吸附后的体系进行后处理，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡。在本发明中，所述后处理优选包括以下步骤：

将所述第一吸附完成后的体系进行静置，弃去下层清液，得到固态物质；

将固态物质洗涤，得到带有正电荷的聚乳酸微气泡。

本发明对静置的时间没有特殊要求，能够将体系分层即可；在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为磷酸盐缓冲液；所述磷酸盐缓冲液的浓度优选为0.005～0.02m，更优选为0.01m；所述磷酸盐缓冲液的ph值优选为7.2～7.4；本发明随所述洗涤的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的洗涤方法即可。在本发明中，洗涤可以将没有吸附到聚乳酸微泡表面的阳离子高分子聚合物除去。

得到带有正电荷的聚乳酸微气泡后，本发明优选将带有正电荷的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯在水中进行第二吸附，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料。在本发明中，所述带有正电荷的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯的质量比优选为4～6:1，更优选为5:1。在本发明中，所述第二吸附的时间优选为15～30min，更优选为20min；本发明优选在室温下进行第二吸附，无需进行额外的加热和降温。

本发明优选将氧化石墨烯水分散液和带有正电荷的聚乳酸微气泡混合后进行吸附；所述氧化石墨烯水分散液的浓度优选为4～6mg/ml，更优选为5mg/ml。本发明对氧化石墨烯水分散液的制备方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的技术方案制备即可。

所述第二吸附后，本发明优选对第二吸附所得产物进行洗涤和冷冻干燥，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料。本发明对洗涤的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的洗涤方法即可。在本发明中，所述冷冻干燥的温度优选为-50℃～-60℃，更优选为-53℃；所述冷冻干燥的时间优选为40～50h，更优选为48h。

本发明提供了上述方案所述复合材料在重金属离子吸附中的应用，使用本发明提供的复合材料吸附污水中的重金属离子，吸附完成后可漂浮在液面上，容易分离，不会造成二次污染，解决了传统的吸附剂不易从溶液中分离的难题，并且本发明提供的复合材料吸附容量大，吸附速度快，不易团聚，是一种绿色环保的产品，具有广阔的应用前景。

下面结合实施例对本发明提供的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

称取500mg聚乳酸于快速搅拌下溶解于10mlch2cl2，待完全溶解后，磁力搅拌至完全混匀，得到油相；向油相中加入1ml4％的(nh4)2co3溶液，用sonicator4000的1/2"探头进行声振处理(110w/30s(3s开+1s关))，形成初级w/o微乳；将得到的初级w/o微乳逐滴滴加到预冷的pva溶液中(4℃，5％)，用高速分散均质机匀化(转速9000rpm，离心时间5min)，形成复合w/o/w微乳；

将100ml2％的异丙醇溶液倾倒于得到的复合w/o/w微乳中，磁力搅拌2h，二氯甲烷尽量自然挥发，使微球表面固化，将得到的包含聚乳酸微球的乳液分装至50ml的离心管中进行离心(离心温度15℃，离心转速5000rpm，离心时间5min)，弃去上清液；将各离心管中的样品收集到一个离心管中，加去离子水至45ml，同样条件再次离心洗涤；将离心所得微球用10ml正己烷涡旋洗涤三次，最后一次洗涤后，置于通风橱中敞口放置30min，挥发去除剩余的正己烷；将正己烷洗涤后的微球加入离心管中，向离心管中加去离子水至45ml，离心，弃去上清液，向洗涤后的微球中加3～5ml去离子水，涡旋分散，转入冻干小瓶中，用液氮预冷，-53℃下真空冷冻干燥48h，即得到聚乳酸微气泡，样品称重后密封保存在-20℃冰箱中，待用。

将500mg聚乳酸微球分散于100ml去离子水中，制备成悬浮液，置于自制底端开口的离心管中，向其中缓慢加入20ml聚丙烯胺盐酸盐溶液(1mg/ml，0.5mol/lnacl)，轻微的摇晃5min，然后置于4℃条件下静置分层，弃去下层清液，向离心管中加入20ml磷酸盐缓冲液(0.01m，ph＝7.2)漂洗除去没有吸附到微泡表面过量的聚丙烯胺盐酸盐分子，按照同样的方法反复漂洗2次，得到表面带正电荷的聚乳酸微气泡。

向带正电荷的聚乳酸微气泡中加入20ml5mg/ml的氧化石墨烯水分散液，吸附20min，漂洗之后，转入冻干小瓶中，用液氮预冷，-53℃下真空冷冻干燥48h，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料，将复合材料密封保存在-20℃冰箱中。

本发明首先制备聚乳酸微气泡，利用聚乳酸微气泡表面的羧基在水溶液中与带正电荷的阳离子聚合物发生静电吸附，带有正电荷的聚乳酸微气泡吸附到聚乳酸微球表面后与氧化石墨烯进行静电吸附，从而实现氧化石墨烯和聚乳酸微气泡的复合，复合过程示意图如图1所示。

使用透射电子显微镜对所得氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料的形貌进行观察，观察结果如图2所示；根据图2可以看出，氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料尺寸在500nm～1.5um之间，呈现相对均匀的球状结构，该尺寸正适合其在水中的有效分散，以及对重金属离子的有效吸附，尺寸的均一性可保证漂浮能力的相对一致性。

分别将制备得到的聚乳酸微气泡和氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料分散于水中，静置5min后，观察现象，观察结果如图3所示；根据图3可以看出，聚乳酸微气泡为白色固体，在水中分散良好，当静置一段时间后，微气泡能有效漂浮到水面位置；当修饰上氧化石墨烯后的聚乳酸微气泡溶液外观呈现氧化石墨烯的黑色，其水溶液均匀分散，静置后仍能高效漂浮于水面上；该观察结果一方面表明氧化石墨烯成功地修饰到聚乳酸微气泡表面，另一方面也体现其在重金属吸附和简化分离提纯方面具有很好的潜力。

实施例2

取实施例1制备的聚乳酸微球500mg分散于100ml去离子水中，制备成悬浮液，置于自制底端开口的离心管中，向其中缓慢加入20ml壳聚糖溶液(1mg/ml，0.5mol/lnacl)，轻微的摇晃5min，然后置于4℃条件下静置分层，弃去下层清液，向离心管中加入20ml磷酸盐缓冲液(0.015m，ph＝7.4)漂洗除去没有吸附到微泡表面过量的壳聚糖分子，按照同样的方法反复漂洗2次，得到表面带正电荷的聚乳酸微气泡。

向带正电荷的聚乳酸微气泡中加入20ml5mg/ml的氧化石墨烯水分散液，吸附15min，漂洗之后，转入冻干小瓶中，用液氮预冷，-50℃下真空冷冻干燥48h，得到氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料，将复合材料密封保存在-20℃冰箱中。

实施例3

制备浓度为0～100mg/l的铅离子溶液，将实施例1制备的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料10mg加入铅离子溶液中进行吸附，吸附过程控制溶液的ph值为5.0，吸附时间为2h。

吸附结果如图4所示；根据图4可以看出，随着金属离子的初始浓度的增加，氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对铅离子的吸附量也随之增加，当离子浓度达到75mg/l时，吸附逐渐达到平衡状态。这是由于氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料中氧化石墨烯表面特征及其羰基、羟基、羧基官能团含量影响其对重金属离子的吸附效果,当吸附离子量达到氧化石墨烯吸附极限时,通过增加初始离子浓度,很难再提高氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对重金属离子的吸附效果。

实施例4

配制6组浓度为75mg/l的铅离子溶液，将实施例1制备的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料10mg加入铅离子溶液中进行吸附，控制6组溶液的ph值为1、2、3、4、5、6，吸附时间为2h。

试验结果如图5所示，根据试验结果可以看出，当ph值较低时，溶液中氢离子浓度较大，较多的氢离子占据了氧化石墨烯的表面活性位点，同时阻止了金属离子的靠近，因此此时氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料的吸附量是非常低的。当ph值在4.0～6.0范围时，氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对重金属离子的吸附量较大，pb²⁺吸附最佳ph值为5.0，对应的吸附量为263mg/g。这是因为在弱酸性条件下，溶液中的氢离子减少，这时氢离子的竞争减少并且更多的键合位点被释放出来，吸附剂表面电荷变得更负，静电吸引力增加从而增加了氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对金属离子的吸附量。

将溶液ph值为5的实验组吸附后的体系置于离心管中，静置5min，观察结果如图6所示，根据图6可以看出，复合材料吸附饱和之后，经过静置仍然能够高效的漂浮在液面上，说明本发明提供的复合材料具备吸附后容易分离的优点。

实施例5

配制浓度为75mg/l的铅离子溶液，将实施例1制备的氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料10mg加入铅离子溶液中进行吸附，控制溶液的ph值为5.0，吸附时间分别为20～90min。

试验结果如图7所示，根据图7可以看出，随着吸附时间的增加，氧化石墨烯-聚乳酸微气泡复合材料对重金属离子的吸附量逐渐增加，在吸附约20min后，吸附量几乎达到平衡状态。根据试验结果可知，本发明提供的复合材料吸附速度快，在20min内即可达到吸附平衡。

由以上实施例可知，本发明提供的复合材料既有氧化石墨烯吸附能力强，吸附容量大的特点，又兼具聚乳酸微气泡不易团聚，容易从溶液中分离的特点；使用本发明提供的复合材料吸附污水中的重金属离子，吸附完成后通过静置可漂浮在液面上，容易分离，不会造成二次污染，解决了传统的吸附剂不易从溶液中分离的难题。

由以上实施例可知，本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。