氧化石墨烯/海藻酸钠双网络凝胶球对水中锑的吸附特性研究

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锑是重要的自然资源,在许多工业门类的生产活动中都发挥了无可替代的作用,但由此也对环境产生了一定程度的危害,造成大气、土壤、水体中的锑污染。特别是水体锑污染,直接威胁到人们的身体健康。目前国内外已有混凝法、膜分离法、生物法、吸附法等技术被应用于水体中的锑污染修复,其中吸附法作为一种高效的、环保的水处理方法得到了广泛关注。氧化石墨烯具有巨大比表面积和足够机械强度,是一种理想的吸附材料。但其存在易团聚,不易固液分离的局限性。在本文中,制备了结合海藻酸钠与氧化石墨烯优点的双网络结构复合凝胶。采用静态吸附试验与动态吸附试验相结合的方式对GAD凝胶球的吸附性能进行研究。通过不同的动力学模型、吸附等温线模型、热力学参数对GAD凝胶球的吸附机理进行探究,并以SEM、FTIR、XRD、Raman、BET、TGA等仪器分析方法对GAD凝胶球的物理化学性质进行更深入的考察。SEM、FTIR、XRD、Raman等表征结果表明,氧化石墨烯与海藻酸钠经过制备过程成功形成了具有双网络结构的复合凝胶。在该复合材料表面可观察到大量有利于吸附发生的孔隙结构。TGA结果表明通过氧化石墨烯的引入提高了该复合材料的热稳定性和导热性。根据比表面积及孔径分析的表征结果,GAD凝胶球的比表面积为29.8 m3/g,是单网络的海藻酸钠凝胶球的3倍左右。在静态吸附试验中,通过pH值、投加量、温度、接触时间、初始浓度、共存离子等一系列条件考察了GAD凝胶球的吸附性能。结果表明,400 mg该吸附剂在pH为6,初始浓度为10 mg/L的50 mL Sb(III)溶液中,298 k的温度条件下反应240 min,对水中Sb(III)的去除率为81%。Cl-、SO42-等共存离子对其吸附性能的影响并不显著,在1 mol/L离子浓度Cl-、SO42-的条件下,其去除效率依然分别为68%和52%。双网络结构合成后,吸附效率和吸附稳定性提高。通过SEM与FTIR对GAD凝胶球吸附前后的物理化学性质进行表征。SEM结果表明,当吸附发生后可在材料表面发现有大量不规则的无定型颗粒附着。根据FTIR的表征结果,吸附发生后位于1083 cm-1处特征峰消失,1249 cm-1处产生新特征峰,部分特征峰处发生了偏移。推测该吸附反应应物理吸附和化学吸附同时存在,且物理吸附为主要的吸附过程。将准一级、准二级、颗粒内扩散动力学模型与该吸附过程进行拟合,准二级动力学模型描述该吸附过程效果较好。不同浓度条件下,其相关系数大于0.99。使用Langmuir、Freundlich、Temkin吸附等温线均能对该吸附过程进行较理想的拟合(R2>0.90)。当在298 k的条件下,GAD凝胶球的Langmuir理论最大吸附容量为7.67mg/g。使用热力学参数对该吸附过程进一步探究,该吸附反应为放热、熵减的自发反应。使用纯水、HCl、NaCl、CaCl2作为再生液对已饱和吸附的GAD凝胶球进行解吸,当使用1 M的CaCl2进行再生实验时效果较好,再生率可达94%左右,且经过5次吸附-解吸实验后,去除效率无显著下降,有较好的可再生性能。GAD凝胶球对水中Sb(III)的动态吸附试验分析表明,吸附柱的泄漏时间和穿透时间随着填料层的高度增加而增加,随着进水流量、初始浓度增加而降低。采用Thomas和Yoon-Nelson模型对该动态吸附过程进行拟合能取得较好的效果。综上所述,本研究中所制备氧化石墨烯/海藻酸钠复合材料对水中Sb(III)具有较好的吸附性能和可循环性能,是一种理想的吸附材料。
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