基于石墨烯-介孔(Si、Ti)氧化物復(fù)合材料的制備及吸附性能研究.pdf

1、近些年來(lái)，由于社會(huì)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(duì)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(shí)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(jiǎn)便，吸附性能高效，無(wú)毒性且價(jià)格低廉等特點(diǎn)，是當(dāng)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(jì)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(gè)部分：
　?。?）以氧化石墨和正硅酸四乙酯為主要原材料，通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)間分別是60oC和5h，其吸附效率最高可達(dá)99％以上。GR/SiO2對(duì)堿性品紅的吸附符合Pseudo-second-order動(dòng)力學(xué)方程，表明該吸附為化學(xué)吸附。吸附行為符合Freundlich等溫吸附模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)所獲得的熱力學(xué)參數(shù)，表明整個(gè)吸附過(guò)程是吸熱且自發(fā)的。GR/SiO2復(fù)合材料在吸附-解吸過(guò)程重復(fù)三次時(shí)，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(biāo)物，設(shè)計(jì)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(fù)合材料。采用FT-IR、X射線衍射儀（XRD）、拉曼光譜、紫外可見(jiàn)漫反射光譜（DRS）、透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM），對(duì)GR/TiO2復(fù)合材料進(jìn)行了表征。為了優(yōu)化復(fù)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(cè)定了GR/TiO2的用量、溫度和時(shí)間對(duì)

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

6、-TiO2）復(fù)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(cè)量對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了表征。該復(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CS/GR-TiO2復(fù)合材料的最佳吸附工藝條件為：GR/TiO2對(duì)殼聚糖的質(zhì)量比、CS/GR-TiO2復(fù)合材料的用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間分別是

7、6:4、20mg/mL、20oC和3h。動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與Pseudo-second-order模型擬合。熱力學(xué)研究表明，吸附過(guò)程是放熱且自發(fā)的。因此可以得出，制備的CS/GR-TiO2復(fù)合材料對(duì)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(jì)環(huán)保的石墨烯/凹凸棒土/二氧化鈦（GR/Pal/TiO2）復(fù)合材料，并通過(guò)X-射線衍射、傅里葉變換紅外、N2吸附-脫附測(cè)量、透射電鏡和掃描電鏡進(jìn)行了表征。將GR/Pal/Ti

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

9、。結(jié)果表明，制備的GR/Pal/TiO2復(fù)合材料是去除廢水中亞甲基藍(lán)的很有前途的材料。
　　（5）合成了石墨烯/羧甲基纖維素/二氧化鈦（GR/CMC/TiO2）復(fù)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(guò)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(shí)間等參數(shù)對(duì)吸附容量的影響。吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)遵循 Pseudo-seco

10、nd-order動(dòng)力學(xué)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(fù)表明吸附過(guò)程的可行性和自發(fā)性。當(dāng)吸附-解吸過(guò)程重復(fù)五次時(shí)，復(fù)合材料仍具有較高的吸附能力。以上結(jié)果表明，GR/CMC/TiO2復(fù)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(jì)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(jiǎn)單、且價(jià)格低廉、對(duì)染料吸附效果好及回收利用率高，在實(shí)際的廢水處理領(lǐng)域具有廣