气凝胶滤料、其制备方法和水体净化方法与流程

本发明涉及环境工程中的水处理领域，具体涉及一种气凝胶滤料、其制备方法和水体净化方法。

背景技术：

近年来不仅水环境中的污染物浓度增加，而且随着污染物种类增多，水污染问题已日益呈现出复合污染特征。污水处理厂二级生化处理后的尾水、垃圾渗滤液、被污染的自然水体等都是多种类型污染物共存的典型案例。

吸附是深度水处理过程中广泛使用的技术之一。该技术的核心是吸附净化水中污染物的吸附材料。目前的吸附材料一般只针对一种或一类性质类似的污染物，而获取同时针对多类污染物的吸附剂面临着挑战。例如，活性炭是一种广泛使用于去除有机污染物的吸附材料，但它对无机的重金属离子却几乎没有效果。沸石可有效去除重金属离子，但对于有机污染物没有亲和性。

近年，由于比表面积大、富含羧基、羟基和环氧基等含氧功能团以及表面带负电荷的特性，使用氧化石墨烯作为去除水中重金属离子的新型碳基吸附剂受到越来越多的关注，但其对带正电以外的有机污染物却效果很有限。氧化石墨烯以单个或数个碳原子厚度的二维纳米片层存在，由于氧化石墨烯纳米片层之间的静电排斥作用，其在水中高度分散，形成胶体溶液。因此，氧化石墨烯作为吸附剂使用的另一个关键问题是固液分离很难。在试验室一般可通过高速离心或超滤的方法解决，但由于成本和效率问题，这些方法显然难以在实际应用中采用。

在专利公开号为cn105289514a的相关文献中，公开了一种羟基乙叉二磷酸修饰的磁性氧化石墨烯吸附剂的制备及应用，特征是采用溶剂热法制备磁性氧化石墨烯材料，利用硅烷偶联剂使磁性氧化石墨烯材料表面氨基化，采用多肽缩合剂和碱性催化剂使氨基化的磁性氧化石墨烯材料表面接枝羟基乙叉二磷酸，制得一种羟基乙叉二磷酸修饰的磁性氧化石墨烯吸附剂，从而成功解决了氧化石墨烯固液分离难的问题。但是该制备方法较为繁杂，使用添加剂种类多，为了使氧化石墨烯和磁性材料结合需要高温(160℃～190℃)加热并使用非水溶剂。该发明制得的吸附剂只能去除重金属离子污染物。

另外，在专利公开号为cn106179277a的相关文献中，公开了巯基化氧化石墨烯/聚乙烯醇大孔复合球吸附剂及其制备方法和应用，通过将巯基化氧化石墨烯包埋于聚乙烯醇中，形成复合球，不同于粉末态易分散，复合球体积、质量大，可以装填入吸附柱中，污水流过吸附柱后，污染物被吸附，而处理水排放，因此也成功实现了固液分离。但是该制备方法需要4-氨基苯硫酚共价修饰氧化石墨烯以及巯基化氧化石墨烯包埋于聚乙烯醇两个制备过程，也较为繁杂，使用添加剂种类多，制得的吸附剂也只能去除重金属离子污染物。

此外，在专利公开号为cn105148878a的相关文献中，公开了一种二氧化硅/氧化石墨烯改性聚氨酯海绵吸附材料的制备方法，由富甲基硅烷和氧化石墨烯(go)通过简单的水解缩合形成的sio2/go杂化纳米材料，然后涂覆在商品化的聚氨酯海绵表面骨架上，成功解决了氧化石墨烯固液分离难的问题。但是，上述方法制得的疏水性微孔吸附材料只能吸附、分离水体中的油、非极性和极性有机溶剂等有机污染物。

综上，为了解决实际应用中氧化石墨烯的固液分离问题，有两个思路：一是磁分离思路，二是过滤分离思路。前者需要借助磁性材料，将氧化石墨烯负载于磁铁矿表面；后者需要借助易于过滤的材料，将氧化石墨烯负载(或包埋)于滤材中。因此，一般的制备过程往往较为繁杂，需要的添加剂种类多(以上述3个专利技术为例，除氧化石墨烯和水外，还需要7种以上的添加剂)；载体的存在会降低单位质量吸附剂的吸附能力；吸附剂只针对一类污染物(重金属离子或者有机污染物)。

因此，有必要提供一种能同时去除多种污染物的吸附剂。

技术实现要素：

本发明是针对现有技术中存在的上述问题而提出的，其目的在于提供一种添加剂少、制备工艺简单、低成本且能同时吸附净化水中重金属离子和有机污染物的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的制备方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种气凝胶滤料，其组分包括氧化石墨烯和季铵盐表面活性剂，其中，所述氧化石墨烯和所述季铵盐表面活性剂的质量比为1:0.03～1:0.2，所述氧化石墨烯形成三维结构的多孔氧化石墨烯气凝胶。

优选地，所述季铵盐表面活性剂为链长8个碳原子以上的季铵盐表面活性剂。

根据本发明的第二方面，提供了一种气凝胶滤料的制备方法，其包括：步骤1：将固态氧化石墨烯加入纯水中，经超声处理，形成二维(2d)氧化石墨烯分散液；步骤2：配制季铵盐表面活性剂水溶液，将制备好的季铵盐表面活性剂溶液在机械搅拌的条件下加入到步骤1中制得的所述2d氧化石墨烯分散液中，获得氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的混合物分散液；步骤3：将步骤2制得的混合物分散液经过超声处理和陈化处理，获得3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的复合材料；以及步骤4：将步骤3制得的复合材料进行冷冻干燥处理，获得三维(3d)结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的气凝胶滤料。

优选地，其中，使用氧化石墨烯胶体悬浮液代替所述固态氧化石墨烯。

优选地，其中，所述步骤1中的处理是在室温条件下进行，其中，超声处10分钟～60分钟。

优选地，所述步骤2中的季铵盐表面活性剂为链长8个碳原子以上的季铵盐表面活性剂。

优选地，所述氧化石墨烯分散液的质量浓度为2mg/ml～12mg/ml；和/或所述季铵盐表面活性剂水溶液的浓度为200mg/l～10000mg/l。

优选地，其中，所述步骤2中的机械搅拌的转速为200rpm～500rpm，加入速度为0.5ml/min～5ml/min。

优选地，所述步骤2中的混合物分散液中氧化石墨烯与季铵盐表面活性剂的质量比为1:0.03～1:0.2。

根据本发明的第三方面，提供了一种水体净化方法，所述水体净化方法将装填有根据本发明的第二方面的制备方法制备的气凝胶滤料的吸附柱用于水体的吸附净化。

有益效果

与现有技术相比，本发明的具有如下优势：1)成本低。本发明只使用一种添加剂，而且该添加剂是常用的工业原料，在阳离子表面活性剂市场上占比最高；本发明制备过程无需加温。2)制备流程简单。选定季铵盐表面活性剂后，根据其链长和疏水性，确定可形成水稳性3d气凝胶的氧化石墨烯与长链季铵盐表面活性剂的质量比，将后者加入到前者之中，即可自组装为氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的复合物材料。3)本发明的制备方法不需要任何非水有机溶剂和有毒试剂，制备过程安全环保无污染，具有环境友好性。4)吸附净化污染物时具有广谱性，其中由氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂制备的气凝胶滤料对重金属离子和有机污染物均具有良好的吸附性能。5)可以定制针对不同待处理水的吸附性能。在保证形成3d多孔气凝胶滤料的前提下，通过选择碳原子数更高的长链季铵盐表面活性剂(更好的疏水性以及与有机污染物的亲和性)以及提高其负载量可以增加对有机污染物的吸附性能；通过选择碳原子数更高的长链季铵盐表面活性剂(从而可适当降低保证形成3d多孔气凝胶滤料需要的负载量)以及降低其负载量可以增加对重金属离子的吸附性能。

此外，本发明的气凝胶滤料能同时吸附净化水中重金属离子和有机污染物。本发明的气凝胶滤料的制备方法添加剂少(仅需一种添加剂)、制备工艺简单、低成本。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图例示了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且与文字说明一起用来解释本发明的原理。

图1是本发明的气凝胶滤料的制备方法的流程示意图；

图2a示出了2d氧化石墨烯分散液的图；

图2b示出了3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的图；

图2c示出了装填了3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的吸附柱的图。

图3是氧化石墨烯(go)和3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料(go/hdtma)的表征结果，其中，图3a是氧化石墨烯(go)的扫描电镜照片，图3b是3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料(go/hdtma)的扫描电镜照片，图3c是go和go/hdtma的粉晶x射线衍射图谱；图3d是go和go/hdtma的傅里叶变换红外光谱。

图4a是氧化石墨烯(go)和3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料(go/hdtma)对cu²⁺的吸附等温线。

图4b是氧化石墨烯(go)和3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料(go/hdtma)对双酚a的吸附等温线。

图5为充填3d氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的吸附柱对黄浦江水配制的含铜江水的穿透曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

首先，将说明本发明的气凝胶滤料的制备原理。

为了将在水中高度分散的2d结构的氧化石墨烯转化成水稳性的3d结构，并且在重金属离子去除性能的基础上附加上有机污染物的去除性能，选择具有长链烷基的季铵盐表面活性剂作为除氧化石墨烯和水以外的唯一添加剂。季铵盐表面活性剂是铵离子的四个氢原子全被有机基取代而成的、具有一个长链烷基的阳离子型表面活性剂。另外，如果表面活性剂用量过低，氧化石墨烯片层之间的吸引力不够，片层仍分散于水中，不足以形成3d结构；如果用量过高，氧化石墨烯片层之间的斥力不够，会聚集成团，不能形成水稳性好、疏松多孔的气凝胶滤料。因此，为了将2d结构的氧化石墨烯片层转化成3d结构，需要氧化石墨烯片层之间要有一定的吸引力，但又要有一定的斥力。为此，可以根据表面活性剂的碳链长度确定合适的添加剂用量。

为了开发一种制备简单、添加剂少、易于固液分离且针对重金属和有机污染物等均具有良好的吸附性能的广谱性吸附剂，本发明的策略是将具有长链烷基的季铵盐表面活性剂的带正电荷“头”牢固地结合在带负电荷的氧化石墨烯表面，一方面通过减少氧化石墨烯表面的负电荷数量来减少氧化石墨烯片层之间的斥力，另一方面通过长链烷基之间的范德华力作用来增加氧化石墨烯片层之间的吸引力，但同时通过控制季铵盐表面活性剂的负载量又让片层间仍具备适当的斥力，从而使氧化石墨烯形成三维结构的多孔吸附剂，再经冻干即可获得固液分离简单、可填充于吸附柱中的疏松多孔并具有良好水稳性的气凝胶滤料。本发明由于仅使用氧化石墨烯表面电荷的一小部分负载表面活性剂即可形成3d气凝胶滤料，所以氧化石墨烯表面的大量负电荷仍可用于重金属离子的吸附净化；而由表面活性剂的长链烷基“尾”部形成的疏水相则可用于有机污染物的吸附净化。

接下来，基于上述制备原理，将描述本发明的气凝胶滤料的制备方法。

图1是本发明的气凝胶滤料的制备方法的流程示意图。如图1所示，首先，在步骤s1中，将固态氧化石墨烯加入纯水中，经超声处理，形成2d氧化石墨烯分散液。

然后，在步骤s2中，配制季铵盐表面活性剂水溶液，并将制备好的季铵盐表面活性剂溶液在机械搅拌的条件下加入步骤s1中制得的2d氧化石墨烯分散液中，获得氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的混合物分散液。

接下来，在步骤s3中，将步骤s2中制得的混合物分散液经过超声处理和陈化处理，获得3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的复合材料。

然后，在步骤s4中，将步骤s3制得的复合材料进行离心分离和冷冻干燥处理，获得3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的气凝胶滤料。

在本实施例中，具体地，在步骤s1中，称取固体氧化石墨烯置于容器中，加入纯水，在室温条件下，在超声器(例如功率为200w)中超声分散10分钟～60分钟，优选为30分钟，形成2d氧化石墨烯分散液。氧化石墨烯分散液的质量浓度例如为2mg/ml～12.0mg/ml。如上所述，在步骤s1的处理，在常温条件下即可进行，而无需加温处理。

需要说明的是，固体氧化石墨烯可以是市售产品，也可以采用如hummers氧化法、brodie方法、staudenmaier方法或tour方法等制备获得。另外，所形成的2d氧化石墨烯分散液可以用hummers氧化法制备的氧化石墨烯胶体悬浮液来代替。

此外，在步骤s2中，配制长链季铵盐表面活性剂水溶液，在机械搅拌条件下，将长链季铵盐表面活性剂溶液滴加到制得的2d氧化石墨烯分散液中，在上述滴加结束后，通过超声处理(例如1h)，再陈化处理(例如10h～20h)，促进其自组装形成3d结构，从而制得氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的混合物分散液。

在本发明中，混合物分散液中氧化石墨烯与长链季铵盐表面活性剂的质量比优选为1:0.03～1:0.2。

另外，在本发明中，优选地，季铵盐表面活性剂为链长8个碳原子以上的季铵盐表面活性剂，其所含阴离子不作规定，可以是氯离子，也可以是溴离子。

此外，在本发明中，季铵盐表面活性剂水溶液的浓度可以为200mg/l～10000mg/l。步骤s2中的机械搅拌的转速可以为200rpm～500rpm，并且长链季铵盐表面活性剂溶液的滴加速度可以为0.5ml/min～5ml/min。

需要说明的是，虽然在上面的描述中，步骤s1在步骤s2之前进行。然而，本发明关于步骤s1和步骤s2的顺序没有特别的限制，他们可以同时进行，也可以先进行步骤s2，然后再进行步骤s1。

此外，优选地，在步骤s4中，将步骤s3制得的复合材料进行离心分离，用去离子水清洗，再放入-18℃的冰箱冻实，将冻实后的混合物分散液转入例如真空冷冻干燥机中冻干，即得到氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料。

由此，通过上述制备方法得到的气凝胶滤料的组分包括氧化石墨烯和季铵盐表面活性剂，其中，氧化石墨烯和季铵盐表面活性剂的质量比为1:0.03～1:0.2；氧化石墨烯形成三维结构的多孔氧化石墨烯气凝胶，季铵盐表面活性剂为链长8个碳原子以上的季铵盐表面活性剂。本发明的气凝胶滤料具有良好的水稳定性且为3d多孔结构。

另外，本发明的气凝胶滤料应用广泛，可以用于水体净化。具体来说，将通过上述制备方法制备的气凝胶滤料装填入吸附柱中用于水体的吸附净化，其中，气凝胶滤料中的氧化石墨烯用于重金属离子去除，而长链季铵盐表面活性剂用于有机污染物去除。因此，水稳性良好的气凝胶滤料直接作为滤料使用，不必将氧化石墨烯负载(包埋)于其它载体上实现磁分离或过滤分离，从而简化制备工艺。

此外，还可以将气凝胶滤料装填入吸附柱中，或者可以将冻干后的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂的混合物分散液在去离子水清洗后直接转入分离装置的吸附柱中，再放入-18℃的冰箱冻实，再经真空冷冻干燥机冻干，以进行水体吸附净化。

下面，结合具体的实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

在本实施例中，采用改进的hummers法制备氧化石墨烯。称取3g石墨，2.5gp2o5和2.5gk2s2o8，缓慢加入12ml98％的浓h2so4，在80℃下搅拌4.5h；将上述混合液缓慢加入到300ml去离子水中，然后用0.45μm微孔滤膜过滤，将固体样品放入80℃烘箱中烘干24h。在上述烘干样品中依次缓慢添加120ml98％的浓h2so4和15gk2mno4，在35℃下搅拌2h；然后缓慢转入250ml冰水混合物中，搅拌2h；再向混合液中添加500ml去离子水和20mlh2o2；待混合均匀后抽滤，用盐酸(1：10，v/v)清洗滤饼(即，抽滤后残留于滤纸上的、尚未纯化的固体氧化石墨烯材料)四次，将滤饼捏成小球置于透析袋中透析4～6天。透析结束后向样品中加入一定量的去离子水，搅拌均匀，超声处理1h。

将制得的氧化石墨烯样品放入-18℃冰箱中，待完全冻实后转入真空冷冻干燥机中冻干2～3天。

称取1.5g冻干的固体氧化石墨烯置于容器中，加入150ml纯水，室温条件下，在超声器(例如功率为200w)中超声分散10分钟～60分钟，优选为30分钟，形成2d氧化石墨烯分散液。图2a是该分散液的实际照片。另外，作为长链季铵盐表面活性剂，称取十六烷基三甲基溴化铵0.25g溶于150ml纯水。然后在以400转/分钟的机械搅拌条件下，将十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂溶液按1ml/min的速度滴加入到2d氧化石墨烯分散液中，制得氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂混合物分散液。将此分散液超声处理1h，再陈化处理12h，促进其自组装形成3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合材料。然后进行离心分离，用去离子水清洗3次，再放入-18℃的冰箱冻实。将冻实好的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合材料转入例如真空冷冻干燥机中冻干即得到氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料，如图2b所示。在验证效果的过程中，可以将制备好的气凝胶滤料装填入吸附柱中进行验证，具体参见图2c。

具体来说，对氧化石墨烯和氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料进行电镜(sem)扫描，如图3a(氧化石墨烯)和图3b(氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料)的对比可见，制得的气凝胶滤料吸附剂形成了多孔的3d结构。图3c显示与氧化石墨烯相比，氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的最强衍射峰向小角度偏移，表明表面活性剂嵌入了氧化石墨烯的片层之间，引起了晶格膨胀。另一个特征性变化是表面活性剂嵌入后最强衍射峰的强度明显减弱，说明氧化石墨烯片层的排列变得杂乱无序，这正是3d多孔气凝胶的应有的特征。比较两种材料的ftir图谱(图3d)进一步表明气凝胶滤料在波数2852cm^-1和2924cm^-1处出现了新的吸收峰，分别代表着-ch2和-ch3中的c-h键伸缩振动，说明表面活性剂成功负载到了氧化石墨烯上。由于其它位置的吸收峰基本一致，说明表面活性剂的负载没有破坏氧化石墨烯的骨架及其官能团。

为了测定本实施例的气凝胶滤料对有机污染物和重金属离子的同时净化性能，以氧化石墨烯为对照，以内分泌干扰物双酚a代表有机污染物，以铜离子代表重金属离子污染物，对本实施例的气凝胶滤料进行了等温吸附试验。称取10mg本实施例的气凝胶滤料置于50ml离心管中，加入30ml浓度分别为0、5、10、25、50、75及100mg/l的cu²⁺和双酚a混合溶液，在25℃摇床中震荡反应24h。经过离心分离，用二乙基二硫代氨基钠分光光度法和紫外分光光度法分别测定上清液中的cu²⁺和双酚a浓度。吸附量按下式计算：

式中，qe为平衡吸附量，单位为mg·g^-1；c0和ce为溶液在反应前后的cu²⁺或双酚a浓度，单位为mg·l^-1；v为加入的cu²⁺和双酚a混合溶液体积，单位为l；m为称取的材料质量，单位为g。

在试验中，使用三组平行试验，结果取平均值，见图4a和图4b。

对实施例1的气凝胶滤料经过等温吸附试验以及langmuir模型计算表明，气凝胶滤料和氧化石墨烯对cu²⁺的最大吸附量分别为58mg/g和84mg/g；对双酚a的最大吸附量分别为162mg/g和0.6mg/g。因此，实施例1的气凝胶滤料仍具有相当好的重金属离子去除能力，最大去除能力保持在氧化石墨烯的70％左右。另一方面，实施例1的气凝胶滤料对双酚a的去除能力大幅增加，为氧化石墨烯的270倍。

实施例2

在本实施例中，采用与实施例1的相同的方法(改进的hummers法)制备氧化石墨烯，因此省略了对其的描述。

在氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料的制备过程中，长链季铵盐表面活性剂为十二烷基三甲基氯化铵0.1g，其他均与实施例1相同，因此省略其描述。

为了测定本实施例的气凝胶滤料的对有机污染物和重金属离子的同时净化性能，采用与实施例1相同的方法进行测定。

具体地，对实施例2的气凝胶滤料经过等温吸附试验以及langmuir模型计算表明，该气凝胶滤料对cu²⁺的最大吸附量为73mg/g；对双酚a的最大吸附量为108mg/g。因此，实施例2的气凝胶滤料仍具有相当好的重金属离子去除能力，最大去除能力保持在氧化石墨烯的87％左右。另一方面，实施例2的气凝胶滤料对双酚a的去除能力大幅增加，为氧化石墨烯的177倍。

实施例3

在本实施例中，采用与实施例1的相同的方法(改进的hummers法)制备氧化石墨烯，因此省略了对其的描述。

在本实施例中，称取1.5g冻干的固体氧化石墨烯置于容器中，加入150ml纯水，室温条件下，在超声器(例如，功率为200w)中超声分散10分钟～60分钟，优选为30分钟，形成2d氧化石墨烯分散液。另称取二十二烷基三甲基氯化铵0.14g溶于150ml纯水。然后在以200转/分钟的机械搅拌条件下，将二十二烷基三甲基氯化铵表面活性剂溶液按3ml/min的速度滴加入到2d氧化石墨烯分散液中，制得氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂分散液。将此分散液超声处理1h，再陈化处理18h，促进其自组装形成3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合物材料。然后离心分离，用去离子水清洗3次，再放入-18℃的冰箱冻实。将冻实好的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合物材料转入真空冷冻干燥机中冻干即得到氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料。

与实施例1和实施例2采用相同的测定方法，对实施例3的气凝胶滤料经过等温吸附试验以及langmuir模型计算表明，本实施例的气凝胶滤料对cu²⁺的最大吸附量为75mg/g，对双酚a的最大吸附量为187mg/g。因此，实施例3的气凝胶滤料仍具有相当好的重金属离子去除能力，最大去除能力保持在氧化石墨烯的90％左右。另一方面，实施例3的气凝胶滤料对双酚a的去除能力大幅增加，为氧化石墨烯的305倍。

实施例4

本实施例的主要目的是测试氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料构建的吸附柱的水稳性和滤柱稳定性。

具体地，在本实施例中采用十六烷基三甲基溴化铵制得3d结构的氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合物材料(具体参见实施例1)。但为了构建氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料吸附柱，在用去离子水清洗3次后，将该复合物材料直接转移至直径为20mm，长度为300mm的玻璃柱中，并在材料底部先铺10mm的玻璃纤维和10mm石英砂，在上方铺10mm玻璃纤维。将玻璃柱放入-18℃的冰箱冻实。将冻实好的玻璃柱转入真空冷冻干燥机中冻干即得到氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂气凝胶滤料吸附柱(具体参见图2c)。

具体地，在水样品(例如，上海黄浦江闵行段江水)中加入氯化铜，使cu²⁺浓度为5mg/l。江水的ph＝7.0。由于主要是测试吸附柱的过滤性能和滤料的水稳性，江水中未加双酚a。采用上行式水流方式，用蠕动泵持续泵入含铜江水，进水速度为1ml/min，表面负荷为3.18l/(m²·min)。观察滤柱的稳定性并测定cu²⁺去除效果，连续运行时长为30天，床体积数接近2000。不同床体积数时的出水cu²⁺浓度，具体参见图5。

经过验证可知，吸附柱的孔隙率为94.7％，在处理40床体积的含铜江水之前，吸附柱可控制出水cu²⁺浓度在1mg/l以内；在处理300床体积含铜江水之前，出水cu²⁺浓度逐渐升高；处理300床体积含铜江水后，出水cu²⁺浓度稳定在1.5mg/l～2.5mg/l之间，去除率为50％～70％。在30天运行期内，本发明的气凝胶滤料一直保持了三维结构的稳定，水流畅通无阻。在试验过程(例如最后一天)中，将进水速度提升10倍至10ml/min，表面负荷31.83l/(m²·min)，吸附柱仍能保持结构稳定。

如上可知，与现有技术相比，本发明的具有如下优势：1)成本低。本发明只使用一种添加剂，而且该添加剂是常用的工业原料，在阳离子表面活性剂市场上占比最高；本发明制备过程无需加温。2)制备流程简单。选定季铵盐表面活性剂后，根据其链长和疏水性，确定可形成水稳性3d气凝胶的氧化石墨烯与长链季铵盐表面活性剂的质量比，将后者加入到前者之中，即可自组装为氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂复合物材料。3)本发明的制备方法不需要任何非水有机溶剂和有毒试剂，制备过程安全环保无污染，具有环境友好性。4)吸附净化污染物时具有广谱性，其中由氧化石墨烯/长链季铵盐表面活性剂制备的吸附剂对重金属离子和有机污染物均具有良好的吸附性能。5)可以定制针对不同待处理水的吸附性能。在保证形成3d多孔气凝胶滤料的前提下，通过选择碳原子数更高的长链季铵盐表面活性剂(更好的疏水性以及与有机污染物的亲和性)以及提高其负载量可以增加对有机污染物的吸附性能；通过选择碳原子数更高的长链季铵盐表面活性剂(从而可适当降低保证形成3d多孔气凝胶滤料需要的负载量)以及降低其负载量可以增加对重金属离子的吸附性能。

另外，本发明的气凝胶滤料除氧化石墨烯和水外只使用一种添加剂(常用工业产品—长链季铵盐表面活性剂)，能同时吸附净化水中重金属离子和有机污染物。本发明的气凝胶滤料的制备方法简单，绿色环保，便于分离，可重复利用，制备工艺简单、添加剂少(仅需一种添加剂)、低成本。

此外，在上面的说明中，使用参数的具体数值对本发明进行了描述，但是本发明不限于上述特定的数值，应当理解，本领域中的技术人员可以根据实际需要，采用参数的其他数值。

虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的示例性实施例。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构和功能。