您好,欢迎来到意榕旅游网。
搜索
您的当前位置:首页新型三维立体结构氧化石墨烯材料的制备及其对亚甲基蓝的吸附

新型三维立体结构氧化石墨烯材料的制备及其对亚甲基蓝的吸附

来源:意榕旅游网
锨 文章编号:1001—9731(2015)16—16074—05 材 料 2015年第16期(46)卷 新型三维立体结构氧化石墨烯材料的制备 及其对亚甲基蓝的吸附 武里鹏,刘淑娟,张伟强,孙 蕾,马建国 (东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点实验室,南昌330013) 摘 要: 通过水热合成法,用植酸(phytic acid)与氧 化石墨烯(graphene oxide)反应制备了一种三维结构 大发展前景。如氧化石墨烯(GO)和石墨烯曾被研究 用于污水中有机物小分子和重金属的吸附[1 5 1 6]。但 是,像其它许多粉末状吸附材料一样,GO和石墨烯吸 附了污染物杂质后不易从处理后的水中分离和收集, 从而导致对水体的二次污染。此外,由于片层之间的 的石墨烯材料(PA—GO)。利用扫描电子显微镜 (SEM)、傅里叶一红外光谱仪(IR)、X射线晶体衍射仪 (XRD)对PA~GO的形貌和结构进行表征,结果表明, 该材料具有膨松的多孔状结构,有利于对有机物的吸 附和回收。将其用于对亚甲基蓝的吸附,研究了吸附 时间、溶液初始浓度和温度对吸附效果的影响。研究 范德华力致使石墨烯在水中呈现憎水性和易团聚的特 点,导致材料表面积大大减小,不利于吸附。而且,材 料吸附污染物分子或离子的亲合力主要由它们之间的 氢键、范德华力、P—P作用力及静电引力决定。因此, 表明,吸附在4.5 h达到平衡,最大吸附量为92.7 mg/g, 且升高温度有利于PA~GO对亚甲基蓝的吸附。 Langmuir等温模型能够较好地描述PA—GO对亚甲基 蓝的吸附。 对石墨烯的存在形态进行改变并加以适当的化学修 饰,将会使其既易溶于水,又能具有合适的表面性能, 从而改善吸附容量,且易分离回收再利用。 三维立体结构的石墨烯复合材料是石墨烯薄片通 过分子问作用力或化学键相互作用交联得到的一种三 维网状结构,由于其具有较多的孔径分布,比表面积 关键词: 植酸:氧化石墨烯;亚甲基蓝;吸附 中图分类号:0647.3 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1001—9731.2015.16.012 1 引 言 随着工业的发展,各种各样的有机染料在造纸、涂 大,提高了石墨烯的吸附性能。且该材料可通过模型 得到各种形状,使用和运输都很方便。所以,此类材料 将是一种良好的污水污染物的吸附材料。本文利用植 酸(PA)与氧化石墨烯(GO)反应制备了一种三维结构 的石墨烯复合材料PA—GO,并对其吸附水中亚甲基蓝 的能力进行了研究。 料、纺织、印染、皮革、塑料等行业得到广泛的应用。这 些行业废水中的有机染料未经处理排放到自然界中会 污染自然水体,会通过食物链传递在人体内积累,存在 诱发贫血、畸形、癌症的风险。亚甲基蓝(MB)是一种 常用于印刷印染行业的染料,可以导致呼吸系统、消化 系统和心脏方面的多种疾病的产生,如呼吸困难、腹泻 2 实 验 2.1 G0的制备 和心跳过速等 。因此,含有亚甲基蓝的废水在排出 前经过处理是十分必要的。 现在对染料污水的处理有物理、化学、生物等方 法,如吸附 ]、化学混凝 、液膜分离_6、电解 ]、生物 处理 ]、氧化 。。。和其它方法[1 等。在这些方法中,吸 附方法由于经济实用、操作便利、应用广泛,是一种比 较有竞争力的方法。碳材料具有较高的比表面积和化 学稳定性,因此是作为吸附材料的良好选择之一。当 前已有许多种碳材料被研究用于去除水中的污染 GO利用改进的Hummers方法口 制备:在冰水 浴下,1 g石墨粉、0.5 g硝酸钠加入到23 mL浓硫酸 中,搅拌30 min,缓慢加入3 g高锰酸钾(0.3 g/min)至 完全溶解。再将水浴温度缓慢升高至30℃,搅拌反应 30 rain后加入50 mL水并逐渐升温至98℃,然后加 入3.5 mL过氧化氢(30 )和16.5 mL水,反应 15 min,将反应混合物离心分离,分别用3 盐酸和水 洗涤,最后将所得产物在6O℃下真空干燥,待用。 2.2 PA—GO材料的制备 物[12-14]。其中,石墨烯作为一种新型二维结构的碳材 料,由于它具有很高的比表面积、良好的化学稳定性和 优异的机械强度等特点,因而在吸附材料方面具有很 将0.5 mL植酸溶液加入到50 mL(2 mg/mL)氧 化石墨烯分散液中,此混合液在聚四氟乙烯反应釜中 150℃条件下反应2 h,产物用蒸馏水浸泡48 h,最后 基金项目:国家自然科学基金资助项目(21367001);江西省教育厅科技资助项目(GJJ13471);东华理工大学放射性地质与勘 探技术国防重点实验室资助项目(2011RGET013) 收到初稿日期:2014—09—12 收到修改稿日期:2014—11—28 通讯作者:马建国,E—mail:mjgyh8125@163.COII1 作者简介:武里鹏(1986--),男,山东莱州人,在读硕士,师gV-B建国副教授,-从事纳米材料合成及应用研究。 16o76 助 材 抖 2015年第16期(46)卷 的变化。由图4可以看出,当t<175 mim时,吸附量 快速增长,175 mim后增长变慢,在大约240 min时吸 附达到平衡。此后,时间对吸附量的影响很小。由此 可知,PA—GO吸附亚甲基蓝在240 min时达到平衡状 态,考虑到实际应用需要,本文实验选择最佳反应时间 为4.5 h。 曲.6E、 式中,忌 代表准一级速率常数,h_。;q。和q 分别 为吸附达到平衡时和吸附时间 时对亚甲基蓝的吸附 量,mg/g。 准二级动力学方程的线性表达式为 一qt 土+一t 息2q: q e (3) 式中,k 为准二级动力学速率常数,g/(mg・h); g 和g 分别为吸附平衡时和吸附时间t时对亚甲基 蓝的吸附量,mg/g。 动力学方程可以描述吸附剂吸附亚甲基蓝的动力 学特征。本文分别利用准一级动力学方程和准二级动 力学方程中的log(q e-q )和£/q 对 作图,得到相应 的动力学曲线图,如图6所示。 f,mIn 图4 时间对PA—OO吸附亚甲基蓝的影响 Fig 4 The effect of time for MB adsorption On PA—GO 3.2.2亚甲基蓝质量浓度与吸附的关系 初始浓度对吸附剂的吸附量存在一定的影响,实 验中取一系列不同浓度的亚甲基蓝溶液,在相同条件 下进行吸附实验,研究了初始浓度对吸附的影响,结果 如图5所示。从图5可以看出,吸附量随亚甲基蓝初 始浓度的增加而增长,当C。>65mg/L后,PA—GO对 亚甲基蓝的吸附量不再增长,说明吸附达到饱和。实 验测得最大吸附容量为92.7 mg/g。 (b)准22级动力学方程 图6 PA—OO吸附MA的吸附动力学曲线 Fig 6 Kinetic plot for MB adsorption on PA—GO 图5 初始浓度对PA—GO吸附亚甲基蓝的影响 Fig 5 The effect of initial concentration for MB ad— sorption on PA—GO 同时,对准一级动力学方程和准二级动力学方程 进行拟合,并计算各自的速率常数和平衡态时吸附量, 结果见表1。由表1可见,PA—GO吸附亚甲基蓝的准 一3.2.3吸附动力学 级动力学方程得到的R 值为0.9871,准二级动力 准一级动力学方程和准二级动力学方程常用于研 究吸附过程的控制机理。其数学表达式分别如下 log(q )_l。gq 一 (2) 学得到的R。值为0.9972,并且准二级动力学得到的 q 值与实验值相接近,表明用准二级动力学来描述 PA—GO吸附亚甲基蓝的过程更合适,吸附过程是一个 化学过程。 表1 PA—GO吸附亚甲基蓝的动力学参数 Table 1 The kinetic parameters for MB adsorption on PA—GO 3.2.4吸附等温线 吸附等温线描述了污染物与吸附剂间的相互作 用,展示了吸附剂的表面性质和吸附剂的能力,并可用 来设计优化吸附过程。常见的吸附模型有Langmuir 吸附模型和Freundlich吸附模型两种。Langmuir等 温吸附模型是单层的(吸附只有一个分子层厚度),且 武里鹏等:新型三维立体结构氧化石墨烯材料的制备及其对亚甲 吸附只能发生在一些特定区域数量有限的吸附点上, 吸附的分子之间无相互作用,其等温模型方程为 一 一q K L口 。q + (4) 式中,C 为铀的平衡浓度,/ ̄g/mL;q。为平衡吸附 容量,mg/g;q 为饱和吸附量,mg/g;K 为吸附系数, 表示吸附剂对吸附质的亲和力。 Freundlich等温吸附模型用来描述非理想的和可 逆的吸附。其可以应用于多层吸附,发生吸附的位置 的吸附焓和亲和力也不同,其等温线模型方程为 logq 一logKf+ ̄*logC (5) 式中,C 为吸附达到平衡时亚甲基蓝的浓度, g/ mL;q 为平衡吸附容量,mg/g;Kt为吸附系数,表示 吸附剂吸附能力的强弱; 为量度吸附强度的常数,表 示吸附强度的相对大小。 (b)FreundllnCe ich等温线 根据Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型 分别以C/q对C、logq对logC作图,得到Langmuir 吸附等温线和Freundlich吸附等温线,见图7所示。 计算各相关参数,结果如表2所示。 图7 PA—GO吸附亚甲基蓝的等温模型 Fig 7 Isotherm model for MB adsorption on PA—Go 表2 PA—GO吸附亚甲基蓝的Langmuir常数和Freundlich常数 Table 2 The Langmuir constants and Freundlich constants for MB adsorption on PA—GO 初始浓度,>g/mL;C 为平衡时溶液中亚甲基蓝的浓 ag/mL; 为溶液的体积,mL;m为吸附剂的质量, R 值为0.9958,明显高于由Freundlich等温模型得到 度,/的R。值0.7544,且Langmuir等温模型q 值与实验 mg;T为绝对温度,K;R为标准气体常数,8.314 J/ 值接近,结果表明PA—GO吸附亚甲基蓝的过程符合 (tool・K)。 由表2可以看出,Langmuir等温模型拟合得到的 Langmuir等温模型,为单层吸附过程。 3.2.5吸附热力学 吸附过程的热力学参数是从不同温度下进行吸附 实验获得的。PA—GO吸附亚甲基蓝(MB)的热力学参 由式(1)计算出不同温度下的吸附量数值,然后由 式(6)计算出每个温度下的K a值,从式(7)计算出 InK a。再利用inK a和1/T作图,根据式(7)由斜率和 截距计算出△H和AS,继而利用式(8)计算得到△G 值。各热力学参数的计算结果如表3所示。 由表3可知,实验中各温度下的AG都为负值,表 明PA—GO吸附亚甲基蓝的过程是自发的过程,且△G 值随温度升高而减少,由此说明在较高的温度下吸附 更容易进行;△H值为正值,也表明该吸附过程是吸热 的;AS值为正值,表明吸附过程中固/液反应界面混乱 (8) 数,包括自由能变(AG)、焓变(AH)和熵变(AS),由下 列各式计算 K 一 e 一V (6) lnKd一等_一 (7) 』 IX△G—AH—T△S 度的增加。 其中,K a为分配系数,L/g;C。为亚甲基蓝溶液的 表3 PA-GO吸附亚甲基蓝的热力学参数 Table 3 Thermodynamic parameters for the adsorption of MB onto PA-GO 16078 馇 助 匕 锨 财 抖 2015年第16期(46)卷 phenol by pseudomonas putida immobilized in polyvinyl 口 alcohol(PVA)gel-lJ].J Hazard Mater,2009,164(2-3): 利用植酸与氧化石墨水热反应成功制备了疏松多 孔的三维立体结构的石墨烯复合材料PA—Go。该材 720-725. ,19]GomesH .’M achado B ’ Rib i 。A’ 吼a1.C atal ytic 料用于对亚甲基蓝的吸附时,条件实验结果表明PA一 GO在大约4.5 h对亚甲基蓝的吸附达到平衡,动力学 和热力学的吸附过程研究表明,对PA—GO的吸附过程 符合准二级动力学方程和Langmuir等温模型,且在较 高的温度下有利于对亚甲基蓝的吸附。 参考文献: Ill Senthilkumaar S,Varadarajan P R,Porkodi K,et a1.Ad— sorption of methylene blue onto jute fiber carbon:kinetics ; m, a。t。er ia, :。 ann 。 [1o]Ch n Zhiga g,G o Tingting,Li Xi h g,。t a1.Catalytic oxidation process of methylene blue dyestuff by ceriu coated attapulgite[J].Journal of Functional Meterials, 0。。0, 。( 。): 。。一 ・ [11] wu T,Cai X,Tan S,et a1.Adsorption characteristics of acrvlonitrile,D—toluenesul{onic acid,1-naphthalenesuIfo— nic acid and methyl blue on graphene in aqueous solutions EJ].Chem Eng J,2011,173(1):144 149. and equilibrium studies l-J].J Colloid Interf Sci,2005, 284(1):78—82.[12]Puzii A M,Stavitskaya S S,Poddubnaya O I,et a1.Struc一 tural and adsorption properties of active carbon from co一 [2] Shi Haochun,Li Weisong,Zhong Lei,et a1.Methylene blue adsorption from aqueous solution by magnetic cellu—conut shells modified with phosphorus heteroatoms[J]. Theor Exp Chem,2012,48(4):272 277. 1ose/graphene oxide composite:equilibrium,kinetics,and thermodynamics l-J].Ind Eng Chem Res,2014,53(3): 1 108—1 1 18. ,11 3] Zhang Shuj uan,Shao Ting,Selcen Kose H,et a1.Ad— sorption of aromatic compounds by carbonaceous adsor一 bents:a comparative study on granular activated carbon, E3] Gui Chenxi,Wang Qianqian,Hao Shumeng,et a1.Sand— wichlike magnesium smcate/reduced graphene oxide nano— activated carbon fiber,and carbon nanotubes[J].Envi ron Sci Technol,2010,44(16):6377—6383. composite for enhanced Pb and methylene blue adsorp一 tion r J_.ACS Appl Mater Interfaces,2014,16(6): 14653—14659. [14]Zhao Jian,Wang Zhenyu,Mashayekhi H,et a1.Pulmona— ry surfactant suppressed phenanthrene adsorption on car一 bon nanotuhes through solubilization and competition as [4]Gong Rui,Ye Jingjing,Dai Wei,et a1.Adsorptive removal of methyl orange and methylene blue from aqueous solu—examined by passive dosing technique[J].Environ Sci Technol,2012,46(10):5369—5377. tion with finger-citron-residue—based activated carbon I-J]. Ind Eng Chem Res,2013,52(39):14297—14303.[15]Xu Jing,Wang Li,Zhu Yongfa.Decontamination of bis— phenol a from aqueous solution by graphene adsorption -Is] E1一Gohary F。Tawfik A.Decolorization and COD reduc— tion of disperse and reactive dyes wastewater using chemi一 cal—coagulation followed by sequential batch reactor(SBR)-Ij].Langmuir,2O12,28(22):8418—8425. [16] Madadrang C J,Kim H Y,Gao Guihua,et a1.Adsorp— tion behavior of EDTA—graphene oxide for Pb(1I)re process l-J].Desalination,2009,249(3):1159-1164. [6]Daas A,Hamdaoui O.Extraction of anionic dye from aqueous solutions by emulsion liquid membrane[J].J Hazard Mater,2010,178(1-3):973—981.moval[J].ACS Appl Mater Interfaces,2012,4(3): 1186—1193. El7]Hummers W S,Jr Richard E Offema.Preparation of gra— phitic oxide[J].J Am Chem Soc,1958,80(6):1339一 [7] Wang I .Aqueous organic dye discoloration induced by contact glow discharge electrolysis[J].J Hazard Mater, 2009,171(1-3):577—581. r8] Muftah H,E1一Naas,Shaheen A,et a1.Biodegradation of 1339. [-18]Peng Liqiong,Xie Jinhua,Guo Chao,et a1.Review of characterization methods of graphene[J].Journal of Functional Meterials,2013,44(21):3055—3059. Preparation of new three-dimensional graphene oxide materials and its adsorption of methylene blue WU Lipeng,LIU Shuj uan,ZHANG Weiqiang,SUN Lei,MA Jianguo (Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory, East China Institute of Technology,Nanchang 330013,China) Abstract:A new three—dimensional structure of graphene materials(PA—GO)was prepared via the reaction of phytic acid with graphene oxide via hydrothermal synthesis method.The morphology and structure of PA—GO was then characterized by SEM,FT—IR,XRD and it demonstrates that the material has a sponge—alike struc— ture.Then the material was used as the adsorbent for methylene blue(MB),and the effects of adsorption time, initial concentration and temperature were investigated,respectively.The results indicated that the adsorption process was completed within 4.5 h,the maximum sorption capacity of PA—GO for MB was evaluated to be 92.7 mg/g,and the sorption efficiency of MB on the PA—GO increases with the rise of temperature,the adsorp— tion isotherms were according with the Langmuir mode1. Key words:phytic acid;grapheme oxide;methylene blue;adsorption 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- yrrf.cn 版权所有

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务