磁性氧化石墨烯制備及去除水中剛果紅的研究

張秀蓉,龔繼來(lái),曾光明,鄧久華 (湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

印染廢水中的染料具有化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穩(wěn)定性高,難以生化降解,色度大,濁度高,COD高等特點(diǎn),如果直接排入水體,將會(huì)嚴(yán)重影響水體的美觀及水環(huán)境中動(dòng)植物的生存,已經(jīng)成為當(dāng)前最難處理的廢水之一[1-3].剛果紅作為一種典型直接偶氮染料,用量大且易于進(jìn)入水體,對(duì)環(huán)境的影響很大.

吸附法在染料廢水處理中被視為一種經(jīng)濟(jì)有效的方法[1].然而,傳統(tǒng)的吸附劑存在著吸附容量不高、不便分離等缺點(diǎn).碳納米材料吸附劑具有高比表面積、容易獲得、合成步驟簡(jiǎn)單、物理化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn),近年來(lái)已成為研究的熱點(diǎn)[4-6].氧化石墨烯(GO)是一種新型二維碳納米材料,表面有大量的含氧官能團(tuán)(包括羥基、環(huán)氧基、羧基),廣泛應(yīng)用于電子、生物傳感器、藥物傳輸、環(huán)境水質(zhì)凈化等領(lǐng)域[7].把碳納米材料賦予磁性,所形成的磁性碳納米材料既具有納米材料的高吸附特性,又具有磁性材料的易分離特性,并被應(yīng)用于水質(zhì)凈化處理中[8-10].本研究小組長(zhǎng)期致力于磁性納米材料吸附劑設(shè)計(jì)、合成并應(yīng)用于水質(zhì)凈化處理[11-14].本研究,制備了磁性氧化石墨烯,并作為一種納米材料吸附劑去除水介質(zhì)中剛果紅,考察了氧化石墨烯負(fù)載磁性粒子后對(duì)剛果紅的吸附性能及吸附時(shí)間、初始pH值、離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

硫酸亞鐵銨[(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O]、硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·12H2O]、氫氧化鈉、98%濃硫酸、氨水、雙氧水(H2O2)、高錳酸鉀、硝酸鈉、剛果紅均為分析純.石墨粉購(gòu)于上海金山亭新化工試劑廠.實(shí)驗(yàn)用水均為超純水.

所用儀器:電熱恒溫水/油浴鍋,JHS-1恒速攪拌器(杭州儀表電機(jī)廠),真空干燥箱,SHY-2A數(shù)顯恒溫水浴振蕩器(常州普天儀器制造有限公司),751型可見分光光度計(jì).

1.2 磁性氧化石墨烯(MGO)的制備

GO的合成采用Hummer方法[15].稱取1.0g石墨粉和0.5g硝酸鈉加入到23mL 98%的濃硫酸中,冰浴,使溫度冷卻到0℃.強(qiáng)烈攪拌的同時(shí)將3.0g高錳酸鉀加入混合液,嚴(yán)格控制加入的速度,使混合液溫度不超過(guò)20℃.除去冰浴,將混合液移入水溫為35℃的恒溫水浴鍋中保持30min,然后在混合液中緩慢加入46mL溫水,將混合液移到98℃的恒溫油浴鍋中,保持15min.將混合液用溫水稀釋到 140mL,加入2.5mL 30%的雙氧水,過(guò)濾,蒸餾水洗滌3次,70℃真空干燥12h.

將1.0g合成的GO分散于100mL超純水中.在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,將 5.8g(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 和10.7g NH4Fe(SO4)2·12H2O溶于100mL超純水中(Fe3+:Fe2+=1.5:1,摩爾比),快速加入10mL 25%的氨水,將GO懸浮液緩慢加入.混合液在85℃,300r/min條件下攪拌45 min.冷卻至室溫,用磁鐵將合成的MGO從混合液中分離出來(lái),用超純水和無(wú)水乙醇分別洗滌3次,70℃真空干燥12h,磨碎放入干燥器備用.

1.3 磁性氧化石墨烯的表征

使用掃描電子顯微鏡(SEM,JSM-6700F)和透射電子顯微鏡(TEM,JEOL-1230,日本)觀察吸附劑的表面形態(tài)特征,使用震動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM,Lake Shore 7410)記錄磁滯回線;使用Zeta電位儀(ZETASIZER)獲得吸附劑表面電位值.

1.4 吸附試驗(yàn)

所有實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組平行實(shí)驗(yàn),用0.1mol/L NaOH和HCl調(diào)節(jié)pH到指定值.剛果紅濃度使用可見分光光度法測(cè)定,吸收波長(zhǎng)500nm[16].

1.4.1 初始pH值的影響 將20mg吸附劑加入到一系列初始濃度為90mg/L的剛果紅溶液中,調(diào)節(jié)pH值為3～10,置于25℃,130r/min的恒溫水浴振蕩器中振蕩24h,磁性分離后測(cè)定剩余剛果紅濃度.

1.4.2 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響 將20mg吸附劑加入到一系列含有不同濃度NaCl(0.001,0.01,0.1mol/L)的剛果紅溶液中,調(diào)節(jié)pH值為6.0±0.1,置于25℃,130r/min的恒溫水浴振蕩器中振蕩24h,磁性分離后測(cè)定剩余剛果紅濃度.

1.4.3 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn) 將20mg吸附劑加入到一系列初始濃度為90mg/L的剛果紅溶液中,調(diào)節(jié)pH值為6.0±0.1,置于25℃,130r/min的恒溫水浴振蕩器中振蕩一定時(shí)間,取樣,磁性分離后測(cè)定剩余剛果紅濃度.

1.4.4 吸附等溫線實(shí)驗(yàn) 將20mg吸附劑加入到一系列初始濃度分別為10～120mg/L的剛果紅溶液中,調(diào)節(jié)pH值為6.0±0.1,置于25℃,130 r/min的恒溫水浴振蕩器中振蕩24h,磁性分離后測(cè)定剩余剛果紅濃度.

1.4.5 自來(lái)水中剛果紅的吸附 剛果紅溶液用自來(lái)水配制.將20mg吸附劑加入到系列初始濃度分別為10～500mg/L的剛果紅溶液中,調(diào)節(jié)pH值為6.0±0.1,置于25℃,130r/min的恒溫水浴振蕩器中振蕩24h,磁性分離后測(cè)定剩余剛果紅濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 MGO與GO的表征

圖1(a,c)顯示,GO是片狀的二維納米材料,其表面有很多的褶皺,這樣可以增大比表面積,有利于磁性粒子覆蓋到GO的表面[17].圖1(b,d)表明,磁性納米粒子成功地覆蓋在GO表面上.關(guān)于負(fù)載磁性粒子到GO表面的反應(yīng)機(jī)理已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[18],即GO表面含有豐富的羧基,制備磁性氧化石墨烯時(shí),可溶性鐵鹽和亞鐵鹽與GO上的羧基形成配合物,從而化學(xué)沉積在GO載體上,在堿性條件下形成鐵氧化物納米粒子負(fù)載的氧化石墨烯.圖2為MGO的紅外光譜圖,其中3055,3265cm-1的寬峰是—OH伸縮振動(dòng)所引起,1591cm-1的強(qiáng)峰來(lái)源于C=O基團(tuán)伸縮振動(dòng)[18],1031,1236cm-1來(lái)源于C—O伸縮振動(dòng),1300,1448cm-1是C—O—C伸縮振動(dòng)引起[19],601cm-1峰來(lái)源于Fe—O伸縮振動(dòng).圖3為MGO的磁滯回線,飽和磁強(qiáng)度為31.2emu/g,足夠用磁鐵將其分離出來(lái)[13];不同pH值條件下,吸附劑表面的zeta電位不同,在pH值3～10的范圍內(nèi),隨著pH值的增加,磁性氧化石墨烯表面的電荷由正變負(fù),等電點(diǎn)為3.5,當(dāng)pH<3.5,吸附劑表面帶正電荷,當(dāng)pH>3.5,吸附劑表面帶負(fù)電荷.

圖1 GO和MGO掃描電鏡和透射電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM and TEM images of GO and MGO

2.2 pH值對(duì)吸附的影響

從圖4可以看出,隨著pH值的增加,剛果紅的吸附量先增加到最大值,然后再逐漸減少,Feng等[20]在用殼聚糖覆蓋的石英砂去除剛果紅也報(bào)道了相同的趨勢(shì).為了分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因,本實(shí)驗(yàn)從吸附劑的表面特性及剛果紅本身的結(jié)構(gòu)兩方面加以探討.剛果紅的結(jié)構(gòu)會(huì)隨著pH值的變化而改變,當(dāng)pH<5.2時(shí),剛果紅的顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)紫色[21].pH<5.2,剛果紅的氨基得到H+而被質(zhì)子化,剛果紅染料表面帶正電,當(dāng)pH<3.5,吸附劑表面帶正電荷,當(dāng)pH>3.5,吸附劑表面帶負(fù)電荷,所以,剛果紅與磁性氧化石墨烯之間的靜電排斥力使得pH3時(shí)的吸附量最小(47.9mg/g).隨著pH值的增加,剛果紅表面電荷由正變負(fù),靜電引力使吸附量增加,在pH值4～5達(dá)到最大值.當(dāng)pH≥6時(shí),剛果紅結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,表面電荷由正變負(fù),且pH值越大,吸附劑表面所帶負(fù)電荷越多,靜電排斥力越大,故吸附量逐漸減少.綜合考慮,后續(xù)實(shí)驗(yàn)將pH6作為實(shí)驗(yàn)條件.

圖2 MGO的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 FTIR of MGO

圖3 MGO的磁滯回線Fig.3 Magnetization curve of MGO

圖4 初始pH值對(duì)剛果紅吸附量的影響Fig.4 Effect of initial solution pH on the adsorption of congo red

2.3 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響

由圖5可見,加入的離子對(duì)剛果紅的吸附有抑制作用,這可能由于離子強(qiáng)度的增加導(dǎo)致剛果紅陰離子移動(dòng)系數(shù)減小,從而阻礙其吸附在MGO表面,使吸附量減少[21].加入的離子強(qiáng)度越大,抑制作用越明顯,說(shuō)明MGO不適宜處理高鹽度的廢水.此外,離子強(qiáng)度對(duì)低濃度的剛果紅影響很小,剛果紅濃度越大,影響越明顯.

圖5 離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響Fig.5 Effect of ion strength on the adsorption of congo red onto MGO

2.4 吸附動(dòng)力學(xué)

從圖6中可以看出,在吸附開始的4.75h以內(nèi),吸附量快速增加,這是由于吸附劑表面剛果紅與水溶液之間的濃度差促使溶液中的剛果紅快速移動(dòng)到吸附劑的表面,從而使水中的剛果紅快速減少,此時(shí)吸附劑表面大量的吸附位點(diǎn)也是快速吸附的一個(gè)原因.然后吸附量緩慢增加直到達(dá)到平衡.在7h內(nèi),吸附基本上達(dá)到平衡.本實(shí)驗(yàn)中,選用24h作為吸附時(shí)間,以確保實(shí)驗(yàn)充分達(dá)到平衡.選用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來(lái)模擬動(dòng)力學(xué).

表1列出了這2種模型擬合的參數(shù),表明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能夠更好的模擬剛果紅動(dòng)力學(xué)過(guò)程,吸附過(guò)程為化學(xué)吸附[22].

2.5 等溫吸附研究

采用Langmuir等溫吸附模型和Frenudlich等溫吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,由表2可知,Langmuir和Freundlich模擬的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9820和0.9788,說(shuō)明2種模型都能很好的描述剛果紅的吸附過(guò)程.根據(jù)Langmuir方程計(jì)算得出最大吸附容量為143.6mg/g.Freundlich方程參數(shù)0<1/n<1,表明剛果紅易于吸附到MGO上[23].

圖6 MGO吸附水中剛果紅的動(dòng)力學(xué)Fig.6 Time-dependent congo red adsorption on MGO

表1 MGO吸附剛果紅動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1 Kinetics parameters for adsorption of congo red by MGO

圖7 剛果紅的等溫吸附線Fig.7 Adsorption isotherm of the adsorption for congo red onto MGO

2.6 與其他吸附劑的比較

表3列出了其他幾種吸附劑對(duì)剛果紅的去除效果[20,24-27].MGO對(duì)剛果紅的高去除效率可能是因?yàn)槿玖系姆枷憬Y(jié)構(gòu)與MGO的π共軛部分形成了π-π鍵[28],剛果紅與MGO之間的靜電引力也會(huì)促進(jìn)吸附.

表2 MGO吸附剛果紅Langmuir和Freundlich方程參數(shù)Table 2 Langmuir and Freundlich adsorption isotherm constants for adsorption of congo red by MGO

表3 與其他吸附劑吸附剛果紅最大容量比較Table 3 The maximum adsorption capacity of congo red on various adsorbent

2.7 自來(lái)水中剛果紅的吸附

圖8 自來(lái)水中剛果紅的吸附Fig.8 The adsorption of congo red onto MGO in tap water

由圖8可見,剛果紅在自來(lái)水中的最大吸附容量為287.6mg/g,為超純水中的2倍,表明磁性

氧化石墨烯對(duì)剛果紅的去除是一種有前景的吸附劑.Sun等人報(bào)道了類似的結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn)磁性還原性氧化石墨烯納米復(fù)合物去除湖水和工業(yè)廢水中的亞甲基藍(lán)比去除去離子水中的亞甲基藍(lán)效率更高[2].從表2中可以看出,Langmuir線性方程能更好的描述剛果紅在自來(lái)水中的吸附過(guò)程,R2=0.9696.在本研究中,自來(lái)水中含有大量的陰陽(yáng)離子,其離子強(qiáng)度比在超純水中強(qiáng),但是在自來(lái)水中的最大吸附容量比在超純水中高,其原因應(yīng)該不完全來(lái)源于離子強(qiáng)度的影響,其具體原因和相關(guān)機(jī)理有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

3.1 MGO飽和磁強(qiáng)度為31.2emu/g,具有足夠的磁性,很容易從水溶液中分離出來(lái).

3.2 剛果紅的初始pH值對(duì)吸附的影響很大,隨著pH值的增加,剛果紅的吸附量先增加到最大值然后逐漸減少,在pH4～5達(dá)到最大值.

3.3 在水中加入NaCl,會(huì)抑制剛果紅的吸附,且離子強(qiáng)度越強(qiáng),抑制越明顯.

3.4 吸附動(dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,且吸附速率較快,吸附7h基本上達(dá)到平衡.

3.5 MGO對(duì)剛果紅具有很好的去除效果,最大吸附容量可達(dá)140.6mg/g,Langmuir和Freundlich兩種模型均能很好的描述剛果紅的吸附過(guò)程.

3.6 剛果紅在自來(lái)水中的最大吸附容量為超純水中的2倍,表明MGO有望用于實(shí)際水處理中.

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