基于石墨烯-介孔(Si、Ti)氧化物復合材料的制備及吸附性能研究.pdf

1、近些年來，由于社會的迅速發(fā)展和松懈的環(huán)境監(jiān)管，水污染日益加劇。染料以及重金屬是地表水中的主要污染物，尤其是在工業(yè)廢水中。其中大部分污染物是致癌、致畸和有毒的。如果工業(yè)廢水未經(jīng)處理直接排放，將對生活用水以及生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害。在最近幾十年中，已經(jīng)實施了大量的治污措施，但在這些各種方法中，吸附是一種高效、靈活以及具有成本效益的的去除方法。石墨烯/介孔氧化物材料，因其制備簡便，吸附性能高效，無毒性且價格低廉等特點，是當前較具有廣闊應(yīng)用前景

2、的材料之一。本文根據(jù)選取不同的介孔材料，設(shè)計且制備了一系列的吸附劑材料，并深入研究了其在工業(yè)廢水方面的處理應(yīng)用。本論文共包括五個部分：
　?。?）以氧化石墨和正硅酸四乙酯為主要原材料，通過簡單的一步水熱合成法，合成具有優(yōu)異吸附性能的石墨烯/介孔二氧化硅（GR/SiO2）材料。該材料不僅具有單體自身的特性，還具有較好的熱穩(wěn)定性和更高的吸附性能。將所制備的材料應(yīng)用于染料堿性品紅（BF）的吸附處理。結(jié)果表明：在最佳吸附條件下，即石墨烯/

3、二氧化硅的用量為50mg/mL、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間分別是60oC和5h，其吸附效率最高可達99％以上。GR/SiO2對堿性品紅的吸附符合Pseudo-second-order動力學方程，表明該吸附為化學吸附。吸附行為符合Freundlich等溫吸附模型。通過實驗所獲得的熱力學參數(shù)，表明整個吸附過程是吸熱且自發(fā)的。GR/SiO2復合材料在吸附-解吸過程重復三次時，仍具有一定的吸附能力。表明制備的GR/SiO2材料可用于吸附含BF染料廢水的

4、處理。
　?。?）以鹽酸四環(huán)素（TCH）和燦爛綠（BG）分別作為抗生素和染料材料的處理目標物，設(shè)計并制備了可應(yīng)用于去除抗生素和染料的石墨烯/二氧化鈦（GR/TiO2）復合材料。采用FT-IR、X射線衍射儀（XRD）、拉曼光譜、紫外可見漫反射光譜（DRS）、透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM），對GR/TiO2復合材料進行了表征。為了優(yōu)化復合材料應(yīng)用于吸附水溶液中的鹽酸四環(huán)素和燦爛綠的條件，測定了GR/TiO2的用量、溫度和時間對

5、TCH和BG溶液的吸附效率的影響。也研究了其吸附動力學Pseudo-second-order方程、Langmuir方程、Freundlich方程以及吸附熱力學參數(shù)的影響。GR/TiO2復合材料在吸附–解吸重復三次之后仍具有較高的吸附容量。這表明所制備的GR/TiO2復合材料對有含染料和抗生素廢水的處理具有一定的應(yīng)用潛力。
　　（3）Cr(VI)是非常有害的物質(zhì)，會引起嚴重的環(huán)境污染。設(shè)計并制備了殼聚糖/石墨烯-二氧化鈦（CS/GR

6、-TiO2）復合材料，并應(yīng)用于去除水溶液中Cr(VI)。采用紅外光譜、X射線衍射、拉曼光譜、透射電鏡、掃描電鏡和N2吸附-脫附測量對所制備的樣品進行了表征。該復合材料保留了石墨烯的較大比表面積、二氧化鈦的介孔結(jié)構(gòu)以及殼聚糖的原始功能，這使得其能夠從污水中快速和有效地去除Cr(VI)。實驗結(jié)果表明，CS/GR-TiO2復合材料的最佳吸附工藝條件為：GR/TiO2對殼聚糖的質(zhì)量比、CS/GR-TiO2復合材料的用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間分別是

7、6:4、20mg/mL、20oC和3h。動力學數(shù)據(jù)與Pseudo-second-order模型擬合。熱力學研究表明，吸附過程是放熱且自發(fā)的。因此可以得出，制備的CS/GR-TiO2復合材料對含Cr(VI)的廢水處理具有應(yīng)用潛力。
　?。?）制備了一種新型且經(jīng)濟環(huán)保的石墨烯/凹凸棒土/二氧化鈦（GR/Pal/TiO2）復合材料，并通過X-射線衍射、傅里葉變換紅外、N2吸附-脫附測量、透射電鏡和掃描電鏡進行了表征。將GR/Pal/Ti

8、O2復合材料用于去除含染料亞甲基藍（MB）的水溶液，并對吸附的最佳條件進行了研究。結(jié)果表明，當GR/Pal/TiO2復合材料的用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間分別為15mg/mL、40oC和1h，吸附效率可達近100%。吸附動力學遵循Pseudo-second-order模型，而吸附等溫線符合 Langmuir模型。吸熱的熱力學研究說明吸附過程是吸熱且自發(fā)的。與相關(guān)報道的不同材料相比，新型的GR/Pal/TiO2復合材料對MB具有很高的吸附能力

9、。結(jié)果表明，制備的GR/Pal/TiO2復合材料是去除廢水中亞甲基藍的很有前途的材料。
　?。?）合成了石墨烯/羧甲基纖維素/二氧化鈦（GR/CMC/TiO2）復合材料。制備的GR/CMC/TiO2可作為從水溶液中去除孔雀石綠（MG）染料的吸附劑。通過傅立葉變換紅外、X射線衍射、拉曼光譜和掃描電鏡分析了所制備的吸附劑的形態(tài)特征。也考察了吸附劑用量、吸附溫度和接觸時間等參數(shù)對吸附容量的影響。吸附動力學數(shù)據(jù)遵循 Pseudo-seco

10、nd-order動力學以及平衡吸附數(shù)據(jù)更符合Freundlich模型，吸附劑最大吸附容量為66.67mg/g，ΔG值為負表明吸附過程的可行性和自發(fā)性。當吸附-解吸過程重復五次時，復合材料仍具有較高的吸附能力。以上結(jié)果表明，GR/CMC/TiO2復合材料是一種可吸附含孔雀石綠廢水的高性能吸附劑。
　　本文設(shè)計并制備了五類具有優(yōu)越性能的吸附材料，其制備工藝方便簡單、且價格低廉、對染料吸附效果好及回收利用率高，在實際的廢水處理領(lǐng)域具有廣