本發(fā)明涉及一種N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極去除水中硬度鎂離子的方法，屬于水處理和材料合成領(lǐng)域。

技術(shù)背景

水可以分為硬水和軟水，衡量硬水和軟水的標(biāo)準(zhǔn)是鈣鎂離子的濃度。含有大量鈣鎂離子的水稱為硬水，而不含或者含有極少量的鈣鎂離子的水稱為軟水。工業(yè)用水中硬度過大，會(huì)導(dǎo)致在回收或循環(huán)利用的過程中，在管道壁及設(shè)備壁產(chǎn)生結(jié)垢，縮小管道與設(shè)備的斷面積，減少循環(huán)水流量，甚至堵塞管道及設(shè)備，給生產(chǎn)造成嚴(yán)重后果。生活中，如果水的硬度太大，對(duì)人類的生活以及身體健康也有很大的影響。

石墨烯氣凝膠的用途有很多，由于其優(yōu)越的物理性質(zhì)和化學(xué)性能，常用于超級(jí)電容器、空氣凈化器等。本發(fā)明利用石墨烯氣凝膠的大比表面積以及高的電子轉(zhuǎn)移率用于去除水中的鎂離子，使硬水得到軟化，同時(shí)價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)可行，并且無二次污染，是個(gè)很有發(fā)展其前景的處理方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于將N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極應(yīng)用于一個(gè)新的領(lǐng)域—電吸附水中鎂離子中。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠制成吸附電極后能有效的吸附水中的鎂離子。

本發(fā)明涉及一種N、S元素協(xié)同修飾石墨烯電極去除水中硬度鎂離子的方法，包括以下步驟：

a、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠：將氧化石墨烯超聲分散于去離子水中，超聲10～30min使其分散均勻。待其分散均勻后加入L-半胱氨酸，攪拌使其分散均勻。然后將混合液在95℃的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物置于蒸餾水中沉浸2～3天，然后冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料；

b、制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極：將步驟a制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠與預(yù)先配制的聚乙烯醇溶液混合，形成糊狀的分散液，移取0.1～0.4mL的分散液均勻涂抹于硬紙片上，冷凍干燥，得到氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極；

c、電化學(xué)法去除水中鎂離子：配制鎂離子溶液，量取鎂離子溶液置于電吸附容器中，將步驟b中制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極對(duì)鎂離子進(jìn)行電吸附實(shí)驗(yàn)。電吸附鎂離子實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，以紙電極為工作電極，鉑片電極為對(duì)電極，甘汞電極為參比電極。同時(shí)使用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶液電導(dǎo)率的變化，當(dāng)電導(dǎo)率保持不變時(shí)，即各紙電極吸附達(dá)到平衡。

進(jìn)一步，步驟a中L-半胱氨酸與氧化石墨烯的質(zhì)量比為3:1，反應(yīng)溫度為95℃，反應(yīng)時(shí)間為2～4h。

進(jìn)一步，步驟c中電吸附水中的離子為Mg²⁺。

本發(fā)明的有益效果是：氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的制備方法簡(jiǎn)便易行，制備過程環(huán)保無污染，以這些材料修飾的電極對(duì)于水中鎂離子的吸附效率較高、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便，材料的電吸附性能與以往材料相比也有了大幅的提升。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為實(shí)施例一中制備的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠的紅外譜圖(FT-IR圖)；

圖2為實(shí)施例二中溶液Mg²⁺初始濃度對(duì)Mg²⁺去除率的影響；

圖3為實(shí)施例三中氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的吸附性能隨再生次數(shù)的變化。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明而不是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定。

在本發(fā)明詳細(xì)敘述和實(shí)施例子中所示的鎂離子去除率是按下述方法測(cè)定的：式中，％R、C₀、C_e分別表示Mg²⁺的去除率、初始濃度、平衡濃度。

實(shí)施例一：

制備氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極包括以下幾個(gè)步驟：

(1)將0.15g的氧化石墨烯(GO)超聲分散在100mL蒸餾水中，再加入0.45g的L-半胱氨酸，機(jī)械攪拌使其充分混合，然后將混合液在95℃的條件下進(jìn)行水浴加熱2h。反應(yīng)結(jié)束后，將生成的產(chǎn)物沉浸于蒸餾水中2～3天，最后樣品在-52℃冷凍干燥24h，得氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠。

(2)將90mg步驟(1)制得的氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠材料加入2mL 4wt％的聚乙烯醇溶液，超聲使復(fù)合材料在溶液里分散均勻。取0.16mL上述分散液均勻涂抹于35mm×8mm的硬紙片(厚400μm)上，于-52℃冷凍干燥干燥12h，制成氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極。

實(shí)施例二：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。

將制備的摻氮石墨烯氣凝膠紙電極分別用于0.25、0.4、0.8、1、3和6mM的Mg²⁺溶液的電化學(xué)處理，施加電壓為0.3V，處理時(shí)間為2min，Mg²⁺的去除率見圖2，可見摻氮石墨烯氣凝膠材料對(duì)低濃度的Mg²⁺溶液有較好的吸附效果。

實(shí)施例三：

氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極的制備過程與實(shí)施例一相同。

對(duì)氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極進(jìn)行循環(huán)電吸附試驗(yàn)。將氮硫共摻雜石墨烯氣凝膠紙電極置于80mL濃度為0.25mmol/L的Mg²⁺溶液中，施加電位-0.3V，并記錄溶液電導(dǎo)率，2min后再次記錄溶液的電導(dǎo)率，計(jì)算去除率。隨后撤去電位讓其脫附，連續(xù)循環(huán)多次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。首次吸附Mg²⁺去除率為67.5％，在經(jīng)過30次的循環(huán)使用后電極對(duì)Mg²⁺去除率為65.7％，然后再繼續(xù)進(jìn)行電吸附循環(huán)實(shí)驗(yàn)，電吸附去除率逐漸下降。