一种碳基复合材料的制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种碳基复合材料的制备方法和用途，发明专利技术人利用碳纳米管与石墨烯原材料复合后具有优异的电子传递性能以及核黄素能增强微生物脱色的特点，将三种材料复合，形成一种碳基复合材料，在提高单一碳材料的导电性与生物相容性的同时，实现对核黄素的固定，合成具有优异电子传递性能与生物安全性的碳基复合材料。采用本方法制备的碳基复合材料分散性能好且可循环使用且能够有效的对偶氮染料进行脱色。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基复合材料的制备方法和用途
本专利技术属于环境工程废水处理领域，具体涉及一种碳基复合材料的制备方法和用途。
技术介绍
染料行业是环境污染最严重的行业之一。目前，中国染料的年产量超过9×105t，占世界总产量的45％。染料废水的特点是颜色鲜艳、悬浮固体量多、pH值变化范围大、化学需氧量高以及生物毒性大，且能引起接收水环境变色。偶氮染料是指化学结构中含有一个或多个偶氮基(-N＝N-)的染料，它占所有商用染料的50％以上，是最为常见和应用范围最广的一种染料。偶氮染料作为环境有害物质，其废水的处理已成为重要的环境问题。偶氮染料废水的处理主要包括物理、化学和生物方法。其中，物理和化学方法作为目前比较常用的手段，存在着成本高、操作程序复杂以及二次污染的问题。因此，具有成本低和环境友好等优势的生物法成为极具吸引力的处理方法。然而，偶氮染料的可生化性差，传统的生物法难以完全降解偶氮染料，因此强化生物降解偶氮染料成为当务之急。过去几十年间，研究者们分离鉴定了许多具有偶氮染料脱色能力的菌株，如希瓦氏菌等。偶氮染料在厌氧/缺氧条件下，被微生物还原脱色，转化为相应的有机胺类物质，其中部分代谢产物再进一步被矿化。研究表明，在偶氮的脱色过程中，一些醌类物质(如AQDS)和黄素化合物(如核黄素)可以作为电子穿梭体，从而强化偶氮的还原反应，加速脱色过程。然而，这些化合物具有可溶性，不能持续保留在反应器中，需要连续不断地加入，这大大增加了废水的处理成本，限制了此类物质的广泛应用。另外，一些研究者将具有电子传递功效的碳材料作为氧化还原的介体，这实现了材料的再循环利用，但其生物相容性和强化偶氮还原的效果不够理想。碳纳米管与石墨烯都是纳米尺寸的碳材料，具有极大的比较面积及良好的导电性等优点。通过将碳纳米管和石墨烯进行复合，通过协同作用，使其表现出比单一材料更加优异的性能，研究认为复合材料在轴向和纵向都具有良好的电子传导速率，形成三维空间微孔网络，弥补了一维碳纳米管和二维石墨烯所存在的缺陷。因此，提供一种安全环保高效的脱色材料十分有必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种碳基复合材料的制备方法和用途。该方法利用碳纳米管与石墨烯原材料复合后优异的电子传递性能以及核黄素能增强微生物脱色的特点，将三种材料复合，形成一种分散性能好且可循环使用的碳基复合材料，在提高单一碳材料的导电性与生物相容性的同时，实现对核黄素的固定，合成具有优异电子传递性能与生物安全性的碳基复合材料，对于解决当前偶氮染料脱色效率差、生物安全性低的问题，有着良好的应用前景。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种碳基复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)在反应器中加入N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)和核黄素，加热反应器，得到反应溶液；2)在步骤1)得到的反应溶液中，加入羧基化碳纳米管、羧基化石墨烯和盐酸，加热后得到第一混合物；3)将步骤2)得到的第一混合物放入微波反应器中，进行微波催化反应，得到第二混合物；4)将步骤3)得到的第二混合物进行清洗和真空干燥。进一步地，所述步骤1)中加热至55℃～75℃，优选为60℃～70℃，更优选为63℃～67℃；加热时间为15min～20min；进一步地，所述步骤2)中加热的温度为65℃～85℃，优选为70℃～80℃，更优选为72℃～76℃；加热时间为150～180min。进一步地，所述核黄素、羧基化碳纳米管与羧基化石墨烯的质量比为(10～20):(5～12):1，优选为(10～15):(5～10):1，更优选为(13～15):(8～10):1。进一步地，所述DMAc和核黄素的体积质量比为100mL:250～350mg；进一步地，盐酸与DMAc的配比为1mL:200～250mL。进一步地，步骤3)中，所述微波催化反应的反应温度为100℃～140℃，优选为110℃～130℃，更优选为115℃～125℃；反应时间为18min～22min，反应功率为600W～800W，优选为680W～720W。本领域技术人员可以购买任意厂家生产的微波反应器，进行反应。进一步地，所述步骤4)中清洗的包括超声处理、N,N-二甲基乙酰胺和去离子冲洗。进一步地，所述超声处理的时间为110min～130min，频率为20kHz～50kHz；然后用DMAc和去离子水反复冲洗，然后在温度为60℃～70℃；真空度为0.05MPa～0.07MPa的条件下真空干燥60h～72h，即得碳基复合材料。本专利技术第二方面提供了上述制备方法制备的碳基复合材料。本专利技术第三方面提供了上述碳基复合材料用于偶氮染料脱色的用途。本专利技术第四方面提了利用上述碳基复合材料强化偶氮染料脱色过程的工艺，包括：利用上述碳基复合材料对偶氮染料废水进行脱色。进一步地，所述工艺具体包括：1)将脱色菌接种至容器中，加入偶氮染料废水，并加入适量电子供体，得到混合溶液；所述容器中含有适合脱色细菌生长的培养基；2)向步骤1)得到的混合溶液中碳基复合材料，向容器中通入保护气形成低氧或者无氧环境，厌氧培养。进一步地，所述适合脱色细菌生长的培养基可以通过购买获得或者自行配制。例如培养基体积为100mL，成分包括：7.5mMNaOH，28mMNH4Cl，1.3mMKCl，4.3mMNaH2PO4，100mMNaCl，和10mL/L微量元素。进一步地，所述偶氮染料废水中刚果红浓度为0.1mmol/L～0.3mmol/L。进一步地，步骤1)中，所述脱色菌为希瓦氏菌ShewanellaoneidensisMR-1；电子供体为乳酸钠；更进一步地，偶氮染料废水与乳酸钠体积比为1000:1。进一步地，步骤2)中，所述混合溶液的量与碳基复合材料的体积质量比为1L:10mg～50mg，最佳投加量为1L:35mg～45mg。进一步地，步骤2)中，所述保护气为氮气。进一步地，步骤2)中，所述厌氧培养的温度为20℃～40℃，优选为25～35℃，其中最佳培养温度为28～32℃；厌氧培养的时间为4h～12h，优选为6h～10h，更优选时间为7h～9h。如上所述，本专利技术的碳基复合材料及其制备方法和用途，具有以下有益效果：专利技术人利用碳纳米管与石墨烯原材料复合后优异的电子传递性能以及核黄素能增强微生物脱色的特点，将三种材料复合，形成一种碳基复合材料，在提高单一碳材料的导电性与生物相容性的同时，实现对核黄素的固定，合成具有优异电子传递性能与生物安全性的碳基复合材料：1)本专利技术制备碳基复合材料的方法简单，合成材料具有优异的电子传递性能、生物安全性高，具有环境友好的特点。2)本专利技术的碳基复合材料用于染料废水脱色时，具有操作简单等特点，克服了传统生物法处理染料废水的偶氮还原电子传递效率低、还原效果不理想的问题。3)通过本专利技术方法，使制备得到的复合材料有效提高了生物法去除偶氮染料废水的去除效果，能有效提高染料废水的脱色处理速率，脱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基复合材料的制备方法，包括如下步骤：/n1)在反应器中加入N,N-二甲基乙酰胺和核黄素，加热反应器，得到反应溶液；/n2)在步骤1)得到的反应溶液中，加入羧基化碳纳米管、羧基化石墨烯和盐酸，加热后得到第一混合物；/n3)将步骤2)得到的第一混合物放入微波反应器中，进行微波催化反应，得到第二混合物；/n4)将步骤3)得到的第二混合物进行清洗和真空干燥。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在反应器中加入N,N-二甲基乙酰胺和核黄素，加热反应器，得到反应溶液；
2)在步骤1)得到的反应溶液中，加入羧基化碳纳米管、羧基化石墨烯和盐酸，加热后得到第一混合物；
3)将步骤2)得到的第一混合物放入微波反应器中，进行微波催化反应，得到第二混合物；
4)将步骤3)得到的第二混合物进行清洗和真空干燥。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括以下技术特征中的任一项或几项：
a)所述步骤1)中加热至55℃～75℃；加热时间为15min～20min；
b)所述步骤2)中加热的温度为65℃～85℃，加热时间为150min～180min；
c)所述微波催化反应的反应温度为100℃～140℃，；反应时间为18min～22min；反应功率为600W～800W。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括以下技术特征中的任一项或几项：
a)所述N,N-二甲基乙酰胺和核黄素的体积质量比为100mL:250～350mg；
b)所述核黄素、羧基化碳纳米管与羧基化石墨烯的质量比为(10～20):(5～12):1；
c)盐酸与N,N-二甲基乙酰胺的配比为1mL:200mL～250mL。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中清洗包括超声处理、N,N-二甲基乙酰胺和去离子冲洗。


5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑雄，胡婉莹，陈银广，吴瑒，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31