阅读说明：本技术 一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶及其制备方法 (Cellulose/graphene oxide/titanium dioxide hydrogel applied to fields of photocatalysis and physical adsorption and preparation method thereof ) 是由 祁海松 陈怡安 刘德桃 吕发创 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶材料及其制备方法。该制备方法包括：制备氢氧化钠/尿素水溶液进行预冷处理,然后加入纤维素搅拌得到纤维素溶液；制备氧化石墨烯和二氧化钛混合水溶液加入到纤维素溶液中,流延成膜得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。本发明提供的水凝胶可以同时进行化学光催化反应和物理吸附,大大提高污水处理能力。本发明提供的制备方法,具有对设备要求不高,可大规模生产,绿色无污染,操作简单等优点。本发明提供的水凝胶材料能够应用于光催化和物理吸附领域。(The invention discloses a cellulose/graphene oxide/titanium dioxide hydrogel material applied to the fields of photocatalysis and physical adsorption and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: preparing a sodium hydroxide/urea aqueous solution, carrying out pre-cooling treatment, adding cellulose, and stirring to obtain a cellulose solution; preparing a mixed aqueous solution of graphene oxide and titanium dioxide, adding the mixed aqueous solution into a cellulose solution, and performing tape casting to form a film so as to obtain the cellulose/graphene oxide/titanium dioxide hydrogel. The hydrogel provided by the invention can simultaneously carry out chemical photocatalytic reaction and physical adsorption, and greatly improves the sewage treatment capacity. The preparation method provided by the invention has the advantages of low requirement on equipment, capability of large-scale production, no pollution, simplicity in operation and the like. The hydrogel material provided by the invention can be applied to the fields of photocatalysis and physical adsorption.)

一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二 氧化钛水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明属于光催化和物理吸附领域，具体涉及一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶及其制备方法。

背景技术

现在，染料废水主要来自纺织，皮革，造纸，橡胶，塑料，化妆品，制药和食品工业。由于染料废水总是大量排放，组成复杂，颜色深且具有高毒性，因此如果在排放到天然水中之前未经适当处理，会对自然环境和人体健康造成严重污染和危害。当前用于染料废水的处理方法包括物理，化学和生物方法等。这些方法可以通过物理吸附，化学催化降解，液膜分离，电解，生物处理，氧化和其他过程来处理工业染料废水。但是，这些过程的有效性，成本和环境影响各不相同。在这些过程中，物理吸附过程和化学催化降解方法比其他方法更具竞争优势，因为它们易于获得，成本较低且应用范围更广。例如，已经有报道以生物纤维素纤维为基体，填料为负载二氧化钛的氧化石墨烯，这种复合材料能高效除去染料废水中的甲基蓝，不过同时还没有解决能否多次使用的问题以及是否能进一步降低染料废水的残留率的问题（Liu, L.-P.; Yang, X.-N.; Ye, L.; Xue, D.-D.; Liu, M.; Jia, S.-R.;Hou, Y.; Chu, L.-Q.; Zhong, C., Preparation and characterization of aphotocatalytic antibacterial material: Graphene oxide/TiO₂/bacterialcellulose nanocomposite. Carbohydrate polymers 2017, 174, 1078-1086.）。

发明内容

为了弥补现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶及其制备方法。

本发明提供的一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的制备方法，包括：以纤维素为基材，复合二氧化钛和氧化石墨烯制备得到一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶；这种水凝胶方便取出和放入反应体系，同时不会带来二次污染；所述制备纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的工艺具有依赖设备少、绿色无污染、可大规模生产和操作简单等优势。

本发明提供的一种应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

（1）氢氧化钠和尿素将加入去离子水中，混合均匀，得到氢氧化钠和尿素的水溶液，然后将其放置在冰箱中进行预冷处理，得到预冷后的溶液，往预冷后的溶液中加入纤维素，机械搅拌均匀得到纤维素溶液；

（2）将氧化石墨烯和二氧化钛加入去离子水中，混合均匀（机械搅拌均匀），得到氧化石墨烯/二氧化钛的混合溶液，然后将步骤（1）所述纤维素溶液与氧化石墨烯/二氧化钛的混合溶液混合，机械搅拌均匀，得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；

（3）将步骤（2）所述纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液在玻璃板上流延成膜，然后浸泡在稀硫酸溶液中进行凝固浴处理，凝固后得到水凝胶，用去离子水多次冲洗，得到所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。

进一步地，步骤（1）所述氢氧化钠和尿素的质量比为6：14-8：10。

进一步地，步骤（1）所述氢氧化钠与水的质量比为6：82~8：80。

进一步地，步骤（1）所述纤维素溶解搅拌的时间为5-8 分钟。

进一步地，步骤（1）所述尿素与水的质量比为10：82-14：80。

进一步地，步骤（1）所述纤维素的质量为预冷后的溶液质量的2%-8%。

进一步地，步骤（1）所述预冷处理的温度为-20 ℃~-12 ℃；预冷处理的时间为1-2小时。

优选地，步骤（1）所述预冷处理的温度为-18 ℃~-12℃。

进一步地，步骤（2）所述氧化石墨烯与步骤（1）所述纤维素的质量比为2：98-8：92；步骤（2）所述二氧化钛和步骤（1）所述纤维素的质量比为20：80-30：70。

进一步地，步骤（2）所述氧化石墨烯/二氧化钛的混合溶液的体积为纤维素溶液体积的10%-30%。

进一步地，在步骤（2）所述氧化石墨烯/二氧化钛的混合溶液中，氧化石墨烯的浓度为0.2%-2%，二氧化钛的浓度为2%-8%。

进一步地，步骤（3）所述稀硫酸溶液的质量百分比浓度为4%-6%。

进一步地，步骤（3）所述凝固浴处理的时间为5-10分钟。

优选地，所述凝固浴处理的时间为5-8分钟。

本发明提供一种由上述的制备方法制得的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。

本发明基于纤维素的二氧化钛纳米复合材料，结合了绿色载体的优点和二氧化钛的光催化性能，同时负载氧化石墨烯，一方面可以提高这种绿色载体的吸附染料分子的能力，另外一方面可以协同二氧化钛提高其光降解能力。进而，这种纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶材料会有优异的物理吸附和化学降解等能力，进而可以作为光催化载体来应用于物理吸附和光降解等多个领域。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提供的制备方法，所使用的原料纤维素是自然界中资源丰富的天然高分子材料，价格廉价，来源广广泛；而且这个制备过程中基本不涉及化学反应，同时所述制备方法具有对设备依赖不高、操作简单、可以大规模生产及工艺流程简单方便等优点。

（2）本发明制备得到的纤维素基水凝胶载体可以同时物理吸附染料分子和化学光降解染料分子，能够大大提高其染料污水处理能力。与此同时，这种水凝胶材料不会引入二次污染，方便放入和取出反应体系。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

实施例1

实施例1提供的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，包括如下步骤：

（1）在81克去离子水中分别加入7克氢氧化钠和12克尿素，搅拌均匀后得到氢氧化钠/尿素的水溶液。将这种混合水溶液放置在冰箱中进行预冷处理，预冷时间为1小时，预冷温度为零下13摄氏度；将2.88克棉短纤纤维素加入到混合水溶液中，搅拌均匀5分钟，得到纤维素溶液；

（2）往20克去离子水中依次加入0.32克氧化石墨烯和0.8克的二氧化钛，机械搅拌均匀，得到分散均匀的氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；将氧化石墨烯/二氧化钛水溶液加入到步骤（1）得到的纤维素溶液，机械搅拌均匀，机械搅拌的时间为五分钟后得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；

（3）将步骤（2）所述纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液在玻璃板上流延成膜后，浸泡在质量浓度为5%的稀硫酸溶液中凝固成形（凝固浴处理），凝固时间为5分钟，然后得到了纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，多次用去离子水冲洗后即可得到所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。在所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的原料中，按重量比来计，氧化石墨烯、二氧化钛和纤维素的质量比为8：20：72；

（4）实施例1制备的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的光催化和物理吸附能力显著，以染料甲基蓝为例，其在纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶催化载体的光催化和物理吸附下，120分钟后残留率只有4%（具体测试过程如下:将配好的染料甲基蓝溶液（10mg L^-1）取部分作为标准样，然后将制备的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶（5g）放入所述染料甲基蓝溶液（200mL）中进行光催化和物理吸附，120分钟后，取出反应后的水凝胶，将反应后的甲基蓝溶液和标准样同时进行紫外光谱测试，通过分析紫外光谱664 nm处的峰值可以得到甲基蓝的残留率），同时这种水凝胶催化载体在保证催化效率的同时，还能多次重复使用（比如在经过十次重复使用后，染料甲基蓝的残留率依然只有6%），也不会引起二次污染。

实施例2

实施例2提供的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，包括如下步骤：

（1）在81克去离子水中分别加入7克氢氧化钠和12克尿素，搅拌均匀后得到氢氧化钠/尿素的水溶液。将这种混合水溶液放置在冰箱中进行预冷处理，预冷时间为1小时，预冷温度为零下13摄氏度；将2.96克纤维素加入到混合水溶液中，立刻搅拌均匀5分钟，得到纤维素溶液；

（2）往20克去离子水中依次加入0.24克氧化石墨烯和0.8克的二氧化钛，机械搅拌均匀，得到分散均匀的氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；将氧化石墨烯/二氧化钛水溶液加入到步骤（1）得到的纤维素溶液，机械搅拌均匀，机械搅拌的时间为五分钟后得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；

（3）将步骤（2）所述纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液在玻璃板上流延成膜后，浸泡在质量浓度为5%的稀硫酸溶液中凝固成形（凝固浴处理），凝固时间为5分钟，然后得到了纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，多次用去离子水冲洗后即可得到所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。在所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的原料中，按重量比来计，氧化石墨烯、二氧化钛和纤维素的质量比为6：20：74；

（4）实施例2制备的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的光催化和物理吸附能力显著，以染料甲基蓝为例，其在纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶催化载体的光催化和物理吸附下，120分钟后残留率只有6%（具体测试过程如下:将配好的染料甲基蓝溶液（10mg L^-1）取部分作为标准样，然后将制备的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶（5g）放入所述染料甲基蓝溶液（200mL）中进行光催化和物理吸附，120分钟后，取出反应后的水凝胶，将反应后的甲基蓝溶液和标准样同时进行紫外光谱测试，通过分析紫外光谱664 nm处的峰值可以得到甲基蓝的残留率），同时这种水凝胶催化载体在保证催化效率的同时，还能多次重复使用（比如在经过十次重复使用后，染料甲基蓝的残留率依然只有8%），也不会引起二次污染。

实施例3

实施例3提供的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，包括如下步骤：

（1）在81克去离子水中分别加入7克氢氧化钠和12克尿素，搅拌均匀后得到氢氧化钠/尿素的水溶液。将这种混合水溶液放置在冰箱中进行预冷处理，预冷时间为1小时，预冷温度为零下13摄氏度；将3.04克纤维素加入到混合水溶液中，立刻搅拌均匀5分钟，得到纤维素溶液；

（2）往20克去离子水中依次加入0.16克氧化石墨烯和0.8克的二氧化钛，机械搅拌均匀，得到分散均匀的氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；将氧化石墨烯/二氧化钛水溶液加入到步骤（1）得到的纤维素溶液，机械搅拌均匀，机械搅拌的时间为五分钟后得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；

（3）将步骤（2）所述纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液在玻璃板上流延成膜后，浸泡在质量浓度为5%的稀硫酸溶液中凝固成形（凝固浴处理），凝固时间为5分钟，然后得到了纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，多次用去离子水冲洗后即可得到所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。在所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的原料中，按重量比来计，氧化石墨烯、二氧化钛和纤维素的质量比为4：20：76；

（4）实施例3制备的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的光催化和物理吸附能力显著，以染料甲基蓝为例，其在纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶催化载体的光催化和物理吸附下，120分钟后残留率只有8%（具体测试过程如下:将配好的染料甲基蓝溶液（10mg L^-1）取部分作为标准样，然后将制备的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶（5g）放入所述染料甲基蓝溶液（200mL）中进行光催化和物理吸附，120分钟后，取出反应后的水凝胶，将反应后的甲基蓝溶液和标准样同时进行紫外光谱测试，通过分析紫外光谱664 nm处的峰值可以得到甲基蓝的残留率），同时这种水凝胶催化载体在保证催化效率的同时，还能多次重复使用（比如在经过十次重复使用后，染料甲基蓝的残留率依然只有12%），也不会引起二次污染。

实施例4

实施例4提供的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，包括如下步骤：

（1）在81克去离子水中分别加入7克氢氧化钠和12克尿素，搅拌均匀后得到氢氧化钠/尿素的水溶液。将这种混合水溶液放置在冰箱中进行预冷处理，预冷时间为1小时，预冷温度为零下13摄氏度；将3.12克纤维素加入到混合水溶液中，立刻搅拌均匀5分钟，得到纤维素溶液；

（2）往20克去离子水中依次加入0.08克氧化石墨烯和0.8克的二氧化钛，机械搅拌均匀，得到分散均匀的氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；将氧化石墨烯/二氧化钛水溶液加入到步骤（1）得到的纤维素溶液，机械搅拌均匀，机械搅拌的时间为五分钟后得到纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液；

（3）将步骤（2）所述纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水溶液在玻璃板上流延成膜后，浸泡在质量浓度为5%的稀硫酸溶液中凝固成形（凝固浴处理），凝固时间为5分钟，然后得到了纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶，多次用去离子水冲洗后即可得到所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶。在所述应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的原料中，按重量比来计，氧化石墨烯，二氧化钛和纤维素的质量比为2：20：78；

（4）实施例4制备的应用于光催化和物理吸附领域的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶的光催化和物理吸附能力显著，以染料甲基蓝为例，其在纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶催化载体的光催化和物理吸附下，120分钟后残留率只有14%（具体测试过程如下:将配好的染料甲基蓝溶液（10mg L^-1）取部分作为标准样，然后将制备的纤维素/氧化石墨烯/二氧化钛水凝胶（5g）放入所述染料甲基蓝溶液（200mL）中进行光催化和物理吸附，120分钟后，取出反应后的水凝胶，将反应后的甲基蓝溶液和标准样同时进行紫外光谱测试，通过分析紫外光谱664 nm处的峰值可以得到甲基蓝的残留率），同时这种水凝胶催化载体在保证催化效率的同时，还能多次重复使用（比如在经过十次重复使用后，染料甲基蓝的残留率依然只有18%），也不会引起二次污染。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。