氧化石墨烯/生物质复合吸附材料的制备和应用

来源 :大连工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangrong825
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随着国家对废水排放管控力度的不断加大,企业需要重新建立成本低、效果佳的多重废水处理方案,以达到国家排放标准。在现有处理废水污染物的方法中,吸附法因其工艺简单、容易操作被广泛使用。而氧化石墨烯(GO),或还原氧化石墨烯(r GO)均是一种优异的吸附剂材料。GO片层含氧官能团可以在吸附的时候提供π键共轭和生成氢键,提高吸附发生的可能性,增强吸附效果。r GO疏水亲脂性有利于它去除有机污染物。但单纯使用GO或r GO作为吸附剂存在成本昂贵,不易分离的缺陷。而生物质作为一种分布广泛、容易获得的绿色资源,本论文的研究目的是将二者有机结合、优势互补制备成本低廉、绿色并且容易回收的高效率吸附材料。论文选择了废报纸、胺化木质素和食用方糖模板剂分别与GO或r GO进行复合,制备出三类具有吸附效果的新型材料。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TGA)等多种手段表征了吸附材料的内部结构和物理性能,并模拟不同类型污染物,如重金属离子、造纸工业漂白废水、阳离子染料和有机污染物等,评价制备吸附材料的吸附效果。得到如下结论:(1)采用沉积法制备废纸基氧化石墨烯复合纸(GOAP)。GOAP的最佳反应条件为:GO浓度7 mg/ml,浸泡时间4 h。在该条件下制备的吸附材料,对重金属离子的最佳处理条件为:离子浓度为40 mg/L,体积为100 ml,Pb2+、Ni2+和Cd2+溶液p H分别为6,4,6,GOAP面积为10 cm~2,在室温下吸附500 min。此时GOAP对Pb2+、Ni2+和Cd2+溶液的吸附量分别为75.41 mg/g,29.04 mg/g和31.35 mg/g,对Pb2+的吸附拟合倾向Langmuir模型,对Ni2+和Cd2+更适合Freundlich模型;对三种重金属离子的吸附过程均适合伪二级动力学方程。经过3次吸附-脱附循环之后,GOAP对三种重金属离子的吸附效率仍然保持在初始吸附值的80%以上。另外,GOAP对亚甲基蓝的吸附量最大值103.5 mg/g,对造纸工业漂白废水中的氯化木质素和COD的吸附量分别为64.4mg/g和225.7 mg/g,展示了处理染料和制浆漂白废水方面的应用潜力。(2)借助紫外光引发制备氧化石墨烯/胺化木质素气凝胶(GALA)。制备GALA的条件为:GO的添加量为丙烯酸的0.1%,丙烯酸:胺化木质素(AL)=1:0.08,光引发时间30 min。在该实验要求下制得的气凝胶内部呈现疏松的大孔结构。GALA的最高热分解温度为395℃,高于单纯GO的236℃和AL的345℃。GALA的比表面积为16.11 m~2/g,不仅高于纯丙烯酸气凝胶的8.05 m~2/g,而且高于只加入GO的丙烯酸气凝胶(15.56 m~2/g)和只加入AL的丙烯酸气凝胶(9.21 m~2/g)。在该条件下制备的GALA对孔雀石绿(MG)溶液的最佳吸附条件为:MG溶液浓度为50 mg/L,体积为50 ml,溶液p H为8,GALA用量为20 mg,反应温度25℃,吸附时间10 h,此时GALA对MG溶液的吸附量和吸附效率分别为113.5 mg/g和91.72%,吸附过程遵循Langmuir模型和伪二级动力学方程。经过5次解吸-再吸附循环,GALA的吸附效率仍在89.8%以上,可以应用于含染料废水的处理。(3)以食用方糖为模板制备了还原氧化石墨烯/聚二甲基硅氧烷(r GO/PDMS)海绵。在还原温度为100℃,反应时间为4 h条件下制备的r GO/PDMS海绵,内部负载大量的r GO片层,热分解温度为554℃,高于纯PDMS海绵的463℃。在压缩应变为60%时,r GO/PDMS海绵的压缩应力为111.78 k Pa,明显优于纯PDMS海绵的35.82 k Pa。r GO/PDMS海绵显示了优异的疏水性能,检测的水接触角为135°,在常温下对20 ml三氯甲烷吸附5 min时的吸附量为16.38 g/g,高于PDMS海绵的7.36 g/g。除有机溶剂外,r GO/PDMS海绵对硅油、泵油和豆油等油脂也表现出不同程度的吸附能力,吸附量分别为4.52 g/g,3.44 g/g和3.88 g/g。另外,选择直接压缩、燃烧和乙醇洗涤三种不同的方式测试r GO/PDMS海绵的可回收性,经过多次吸附-脱附循环证明r GO/PDMS海绵的吸附量仍保持在初始值的96%以上。综上所述,以廉价易得的生物质为原料,结合GO或r GO制备的吸附材料可以广泛用于含重金属离子、阳离子染料、有机污染物及造纸工业漂白废水的处理,均显示较高的吸附效率和多次循环使用性,可以为处理有机废水提供有益参考。
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