膨脹石墨的制備及其甲基橙吸附性能研究

李永霞，張 冬

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830019）

膨脹石墨的制備及其甲基橙吸附性能研究

李永霞，張 冬

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830019）

當(dāng)今世界工業(yè)廢水污染問題日益突出，染料污染物已成為主要的水體污染源。膨脹石墨作為新型碳材料，具有表面積大、結(jié)構(gòu)疏松多孔、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在染料污染物和廢水處理方面，發(fā)揮著顯著作用。本文對膨脹石墨的制備工藝進(jìn)行了研究，同時分析了pH值、吸附溫度、染料溶液初始濃度和膨脹石墨用量等因素對甲基橙吸附性能的影響。研究表明：升高吸附溫度、增大染料溶液初始濃度等可以有效提高膨脹石墨的吸附性能，為膨脹石墨對污水處理的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

膨脹石墨；污水處理；甲基橙；吸附性能

隨著世界工業(yè)化程度的不斷提高，隨之帶來了一系列的污染問題，其中水體污染已成為影響人類生存環(huán)境的重大問題[1-3]。尤其是印染行業(yè)排放的污水對水環(huán)境污染嚴(yán)重，這些廢水具有難降解、色度高及有機(jī)毒物含量大等特點(diǎn)[4,5]，如果直接流進(jìn)河海中，不僅對水中魚類與微生物具有毒害作用，而且會嚴(yán)重污染地下水資源。所以，廢水中的難降解污染物的處理研究顯得十分重要。

染料廢水的處理大多采用吸附法，吸附劑包括活性煤及煤渣吸附劑、活性炭吸附劑、炭纖維吸附劑等。膨脹石墨是一種新型碳材料，具有四級孔隙結(jié)構(gòu)[6]，可以較好的吸附染料廢水中的污染物質(zhì)，逐漸被應(yīng)用于染料廢水處理。本文對膨脹石墨的制備工藝進(jìn)行了研究，同時分析了pH值、吸附溫度、染料溶液初始濃度和膨脹石墨用量等因素對甲基橙吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

天然鱗片（石墨35目，南京先豐納米科技有限公司）；KMnO4、HClO4、HAc 均為分析純天津恒山化工有限公司；甲基橙（AR天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所）。

HH-S型水浴鍋（鞏義市英峪予華儀器）；723型可見分光光度計（上海著華科技儀器有限公司）；HI98107型pH計（北京哈納科技有限公司）。

1.2 制備方法

本研究膨脹石墨的制備采用化學(xué)氧化法，原料為天然鱗片石墨，氧化劑使用KMnO4，插層劑使用HClO4與CH3COOH。具體操作：100mL燒杯中，依次加入一定量的 CH3COOH3、HClO4和 KMnO4，攪拌均勻，加入原料石墨（2g），恒溫水浴鍋中40℃反應(yīng)90min，過濾，70℃干燥5h，特定微波膨脹功率下膨化一定時間。

1.3 降解實(shí)驗(yàn)

稱取一定質(zhì)量甲基橙，配置不同濃度染料廢水模擬工業(yè)印染廢水。燒杯中加入一定含量配置好的染料溶液，放在恒溫水浴鍋中，加入一定質(zhì)量的膨化石墨，使用20%的H2SO4與20%的NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，反應(yīng)一定時間用紫外分光光度計測定其吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨脹石墨的制備

2.1.1 KMnO4加入量對石墨膨脹容積的影響

不同KMnO4加入量對石墨膨脹容積的影響見圖1。

圖1 KMnO4加入量對石墨膨脹容積的影響Fig.1 Influence of the amount of potassium permanganate on expanded volume of graphite

KMnO4用量小于0.25g時，膨脹體積隨著KMnO4加入量增加而增大；KMnO4用量大于0.25g后，膨脹體積隨著KMnO4加入量增加而減小。KMnO4用量過小，鱗片石墨不能完全氧化；KMnO4用量過大，氧化石墨邊緣卷曲，導(dǎo)致插層不能插入，石墨膨脹體積減小。最佳KMnO4用量為0.25g。

2.1.2 HClO4加入量對石墨膨脹容積的影響

不同HClO4加入量對石墨膨脹容積的影響見圖2。

圖2 HClO4加入量對石墨膨脹容積的影響Fig.2 Influence of the amount of perchloric acid on expanded volume of graphite

由圖2可以看出，膨脹石墨的容積隨著HClO4加入量的增加先增大后減小。石墨膨脹體積在HClO4加入量為4mL時最大，故實(shí)驗(yàn)中HClO4加入量確定為4mL。

2.1.3 HAc加入量對石墨膨脹容積的影響

不同HAc加入量對石墨膨脹容積的影響見圖3。

圖3 HAc加入量對石墨膨脹容積的影響Fig.3 Influence of the amount of glacial acetic acid on expanded volume of graphite

有圖3可見，石墨膨脹容積隨著HAc加入量增加而增大，最后趨于不變。增加HAc加入量，能夠增加插層體積，加入量達(dá)到特定值以后，插層體積達(dá)到飽和，所以最佳HAc用量為5mL。

2.1.4 膨化時間對石墨膨脹容積的影響

膨化時間對石墨膨脹容積的影響見圖4。

由圖4可見，石墨的膨脹容積隨著膨化時間的增加先增大后降低，17s時膨脹體積最大，繼續(xù)增加膨脹時間，膨脹體積減小。故最佳膨化時間為17s。

圖4 膨化時間對石墨膨脹容積的影響Fig.4 Influence of the extrusion time on expanded volume of graphite

2.1.5 膨化功率對石墨膨脹容積的影響

膨化功率對石墨膨脹容積的影響見圖5。

圖5 膨化功率對石墨膨脹容積的影響Fig.5 Influence of the extrusion power on expanded volume of graphite

由圖5可見，石墨的膨脹容積隨著膨化功率增大先增加后降低，當(dāng)膨化功率為450W時，膨脹體積取得最大值。故最佳膨化功率設(shè)定為450W。

綜上所述，膨脹石墨的最佳制備工藝為：天然鱗片 石 墨（g）∶KMnO4（g）∶HAc（mL）∶HClO4（mL）=8∶1∶20∶16。微波膨化功率確定450W，膨化時間17s。

2.2 膨脹石墨對甲基橙溶液的吸附性能

2.2.1 pH值對甲基橙溶液脫色率的影響

pH值對甲基橙溶液脫色率的影響見圖6。

圖6 pH值對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.6 Influence of pH on decolorization rate of methyl orange solution

由圖6可見，甲基橙溶液的脫色率與pH值的影響關(guān)系極大。p H值越低，甲基橙溶液脫色越好。pH值為2.5時，甲基橙溶液的脫色率高達(dá)92%，脫色率隨著pH值增加逐漸降低。在酸性條件下，磺酸根一端帶負(fù)電，甲基橙是一種醌式結(jié)構(gòu)[7]，容易結(jié)合形成化學(xué)鍵，在一定程度上可以增加甲基橙的吸附。而在堿性條件中，甲基橙是偶氮苯結(jié)構(gòu)[8]，不利于膨化石墨對甲基橙的吸附。因此，當(dāng)甲基橙溶液為堿性時，不利于膨脹石墨吸附甲基橙；當(dāng)甲基橙溶液為酸性時，有利于膨脹石墨對甲基橙的吸附，所以甲基橙廢水處理時，應(yīng)當(dāng)增加廢水酸性。

2.2.2 吸附溫度對甲基橙溶液脫色率的影響

吸附溫度對甲基橙溶液脫色率的影響見圖7。

圖7 吸附溫度對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.7 Influence of adsorption temperature on decolorization rate of methyl orange solution

甲基橙溶液的脫色率隨著實(shí)驗(yàn)溫度增加而增高，溫度提高可以降低反應(yīng)活化能，增加活化分子數(shù)目，促進(jìn)了膨脹石墨對甲基橙的吸附，同時也說明此吸附過程是一個吸熱過程。

2.2.3 溶液初始濃度對甲基橙溶液脫色率的影響

溶液初始濃度對甲基橙溶液脫色率的影響見圖8。

圖8 溶液初始濃度對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.8 Influence of initial concentration of solution on decolorization rate of methyl orange solution

由圖8可知，甲基橙初始濃度對脫色率的影響較為明顯，甲基橙初始濃度3mg·L-1為時,吸附前15min之內(nèi),脫色率明顯增大,而吸附100mim后，趨于平緩。增大溶液初始濃度，脫色率逐漸降低，甲基橙溶液初始濃度在6～12.0mg·L-1，吸附前30min脫色率明顯增加，吸附200min后，甲基橙溶液的脫色率基本不變，因?yàn)榕蛎浭竭_(dá)到飽和。

2.2.4 膨脹石墨用量對甲基橙溶液脫色率的影響

膨脹石墨用量對甲基橙溶液脫色率的影響見圖9。

圖9 膨脹石墨用量對甲基橙溶液脫色率的影響Fig.9 Influence of amount of expanded graphite on decolorization rate of methyl orange solution

甲基橙溶液脫色率隨著膨脹石墨用量增加而增大，當(dāng)膨脹石墨加入量為0.09時，甲基橙溶液脫色率高達(dá)99%。當(dāng)吸附時間在240min以后，甲基橙脫色率開始降低，估計是長時間攪拌破壞了膨脹石墨的材料結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致甲基橙脫附。

3 結(jié)論

本文對膨脹石墨的制備工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，同時分析了pH值、吸附溫度、油品黏度、染料溶液初始濃度等因素對甲基橙吸附性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）膨脹石墨的最佳制備工藝為：天然鱗片石墨（g）∶KMnO4（g）∶HAc（mL）∶HClO4（mL）=8∶1∶20∶16。微波膨化功率確定450W，膨化時間17s。

（2）膨脹石墨對甲基橙溶液的吸附性能研究表明，吸附溫度在325K，吸附pH值為2.5，膨脹石墨加入量為0.09g，吸附時間為240min時，甲基橙溶液脫色率高達(dá)99%。。

（3）在最佳工藝條件下制備膨脹石墨，分析pH值、吸附溫度、染料溶液初始濃度和膨脹石墨用量等因素對甲基橙吸附性能的影響，說明膨脹石墨能夠較好的吸附甲基橙，為膨脹石墨在污水處理的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

［1］ 劉成寶.膨脹石墨的制備及其對含油污水的吸附應(yīng)用研究［D］.江蘇大學(xué),2007.

［2］ 常愛榮,孫瑾.印染廢水處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.廣東化工,2010,（9）:217-218.

［3］ 耿云波,劉永紅,趙鵬飛.印染廢水生物處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.工業(yè)用水與廢水,2010,（4）:1-4.

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［7］ Devi L G,Kumar S G,Reddy K M,et al.Photo degradation of Methyl Orange an azo dye by Advanced Fenton Process using zero valent metallic iron:Influence of various reaction parameters and its degradation mechanism［J］.Journal of Hazardous Materials,2009,164（2）:459-467.

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Study on the preparation of expanded graphite and its adsorption performance for methyl orange

LI Yong-xia，ZHANG Dong
（Xinjiang Institute Of Light Industry Technology,Urumqi 830019,China）

The pollution problem of industrial wastewater in the world has become increasingly prominent,and dye pollutants have become the main source of water pollution.Expanded graphite as a new type of carbon material,with a large surface area,loose structure,porous,adsorption capacity and other characteristics,in the dye contaminants and wastewater treatment,play a significant role.In this paper,the preparation process of expanded graphite was systematically studied.The effects of pH value,adsorption temperature,concentration of dye solution and the amount of expanded graphite on the adsorption performance of methyl orange were analyzed.The results show that increasing the adsorption temperature and increasing the concentration of dye solution can improve the adsorption performance of the expanded graphite and provide theoretical guidance for the application of expanded graphite in wastewater treatment.

expanded graphite;sewage treatment;methyl orange;adsorption performance

X712

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170965

2017-05-24

李永霞（1982-），女，講師，碩士學(xué)位，主要研究方向:化工類教學(xué)及工業(yè)廢水、廢棄處理研究。