氧化石墨烯吸附廢水中氨氮的探究

孫菱翎 霍建利

摘要：制備氧化石墨烯（GO），以氧化石墨烯（GO）作為吸附劑，探究在不同初始濃度的氨氮廢水中，石墨烯的用量、pH值、反應溫度、反應時間對氨氮吸附量及吸附率的影響，并使用等溫吸附曲線研究了其吸附性能.

關(guān)鍵詞：氨氮廢水;吸附;氧化石墨烯

中圖分類號：O613;X703 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0042-03

石墨烯是一種單分子層物質(zhì)，具有蜂窩狀孔的結(jié)構(gòu)，因此其有吸附性作用[1].氧化石墨烯是在石墨烯基礎(chǔ)上進行氧化得到的，親水性很好[2]，可以應用在吸附過程中，并且在半導體、光伏、電池、航天等新領(lǐng)域都將有很大的應用前景[3].隨著近年來化工業(yè)與制造業(yè)的發(fā)展，排放的大量的氨氮廢水，使大氣、土壤、淡水[4]等水的污染問題越來越嚴重.因此需要找到合理而有效的處理方法是現(xiàn)如今社會的一個重難點.目前氨氮處理分為傳統(tǒng)技術(shù)和新技術(shù)兩種，傳統(tǒng)技術(shù)包括生物法[5]、化學沉淀法[6]、離子交換法[7]、折點氯化法[8]、吸附法[9]等，新技術(shù)包含微波輔助法[10-11]和超聲波法[12].

本文采用傳統(tǒng)的吸附法，加入氧化石墨烯（以下簡稱GO），處理廢水中的氨氮.采用不同的吸附劑用量、pH、時間，溫度及初始濃度對氨氮的影響，旨在降低工業(yè)及生活中水的氨氮量，減少污水排放，保護地球環(huán)境.

1 實驗部分

1.1 步驟

第一步，配制標準濃度的NH4Cl溶液，作標準曲線.

第二步，用改進Hummers法[13]得到GO.

第三步，進行單因素實驗研究，在不同GO用量、溫度、pH、時間及初始濃度對吸附的影響;并探討GO的氨氮吸附機理.

1.2 儀器與試劑

1.2.1 實驗儀器

1.2.2 實驗試劑

石墨粉，高錳酸鉀，硝酸鈉，濃硫酸，過氧化氫，氯化銨，磷酸二氫鉀，碘化鉀，氫氧化鉀，酒石酸鉀鈉，氫氧化鈉，氯化汞，鹽酸，均為分析純.

1.2.3 實驗原料準備

（1）制備GO：用改進的Hummer法制備GO.

（2）酒石酸鉀鈉溶液：準確配制500g/L的溶液.

（3）納氏試劑：準確配制納氏試劑，放置于黑暗處備用.

（4）模擬氨氮廢水：配制100mg/L氯化銨溶液2L備用.

1.3 氨氮標準曲線的繪制

采用納氏試劑分光光度法[14]繪制氨氮的含量與吸光度的標準曲線，得出的線性關(guān)系是：

y=0.5097x-0.0442，R2=0.9765.

1.4 實驗方法

1.4.1 用量的影響

取廢水100ml，投入0.2g的GO為吸附劑，分別加入0.025、0.05、0.1、0.125、0.15、0.2gGO的條件下，調(diào)pH值為8，設置溫度為50℃，震蕩2小時后取出，測定吸光度.

1.4.2 pH的影響

觀察不同的pH值對吸附的影響.取100ml廢水，投入0.2g的GO，分別在4、5、7、8、9、10的條件下，設置溫度為50℃，震蕩2小時后取出，測量吸光度.

1.4.3 溫度的影響

通過考察不同的溫度對氨氮吸附的影響.找出合適的反應溫度.取100ml廢水，投入0.2g的GO為吸附劑，分別在溫度為15℃、25℃、35℃、55℃、65℃、75℃的條件下，震蕩2小時后，取上層清液測吸光度.

1.4.4 時間的影響

取100ml廢水，投入0.2gGO，調(diào)節(jié)pH值和反應溫度.分別在5min、10min、15min、35min、40min、45min、55min、90min、110min和115min的溫度下進行反應，并測定吸光度.

1.4.5 初始濃度的影響

考察不同初始氨氮濃度時，吸附劑對氨氮吸附率的影響.分別采用6mg/L，7mg/L，11mg/L，15mg/L，21mg/L，30mg/L，35 mg/L的氨氮廢水取100ml，加入0.2gGO，調(diào)pH為9，在溫度為35℃的振蕩器中，振蕩90min后.測量其每種濃度的吸光度.

1.4.6 等溫吸附實驗

以不同溫度下氨氮吸附率數(shù)據(jù)計算平衡吸附濃度ce和平衡吸附量qe，得到數(shù)據(jù)為等溫吸附標準曲線.

1.4.7 吸附動力學實驗

取不同時間的氨氮吸附率數(shù)據(jù)，作t和Ln（Qe-Qt）的吸附動力學趨勢圖.

2 實驗結(jié)果分析

2.1 用量的影響

由圖2，不同量的GO對廢水中氨氮的具有不同的影響，隨著GO量的增大，吸附率逐漸增大，吸附量遞減.所以，說明GO量愈多，吸附更多的氨氮，吸附率變大.分析原因如下，隨著GO量的增多，更多的氨氮分子被吸附到GO表面，吸附量增多，吸附量的增加幅度大，而用量增加幅度小，因此，吸附率是降低的.

2.2 pH的影響

通過圖3可以得出，伴隨pH值的逐漸上升，吸附率開始呈現(xiàn)出提高趨向，達到最大吸附率，又快速降低的趨向，當pH值為9，GO的吸附率達到吸附的最大值為50%.因此，可判斷出GO吸附氨氮是在堿性條件下進行吸附.分析原因如下：酸性條件下，氨氮主要存在方式是NH4+，靜電斥力阻止了與GO的接觸，故吸附量低.

2.3 時間的影響

由圖4可以得出，跟著吸附時段的伸長，吸附率隨之逐步上升，吸附量也上漲，當反應時間到55min之后，時間的趨勢基于平緩.是由于反應初始時GO吸附劑與廢水中氨氮充分接觸的原因，直至吸附量趨于飽和，55min后，GO對廢水中氨氮的吸附量基本沒有變化，說明達到吸附平衡.

2.4 溫度的影響

由圖5可以得出，溫度逐漸升高，氨氮的吸附率急劇升高后又趨于平緩.分析原因如下：反應溫度升高，增加了分子間的活動能力，使分子間相互碰撞機會增加，吸附量和吸附率增加.

2.5 初始濃度的影響

從圖6可以看出，隨著初始濃度的變化，吸附速率快速增加后迅速降低，當初始濃度為15mg/g時，GO對廢水中氨氮的吸附率是75%.因為在氨氮初始濃度低的條件下，分子間空隙大，更有利于分子的吸附;而在吸附平衡后，增大初始濃度會抑制了吸附，引起了解吸的產(chǎn)生.

2.6 等溫吸附實驗

本實驗采用吸附方程Langmuir與Freundlich對數(shù)據(jù)進行擬合，用以探究GO吸附氨氮的能力.

從上述兩圖中分析可以得出，F(xiàn)reundlich吸附線的回歸性相對比較好，具有比較明顯的線性關(guān)系.所以，GO的吸附率更合適Freundlich型的吸附.所以，GO有利于吸附工業(yè)及生活中含有氨氮廢水的化合物.

2.7 吸附動力學

將GO吸附廢水中氨氮的吸附過程分別用準一級動力學與準二級動力學模型進行擬合，結(jié)果如下表和圖.

從上述兩圖中可以得出，準二級動力學的回歸性比準一級動力學的好，能呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.于是，GO吸附率更合適于準二級動力學擬合模型.

3 實驗結(jié)論

本實驗考察GO對含有氨氮廢水的吸附變化以及吸附的性能.主要有以下結(jié)論：

（1）實驗主要通過探究GO用量、pH值、時間、溫度以及氨氮初始濃度對氨氮吸附的影響，得出較佳的反應條件，在氨氮廢水中投入GO0.2g，pH值為9，溫度為35℃的條件下，時間為55min，初始濃度為15mg/L，吸附率為75%.

（2）通過機理的探討分析，GO對氨氮的吸附符合Freundlich型和準二級動力學擬合方程.

（3）此方法針對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、以及生活中含有氨氮廢水的吸附有一定的作用，通過加入GO吸附劑可以減少廢水中氨氮的含量，減少排放量.在氨氮脫除方面有一定的參考價值.

（4）但是因為GO在水中的易分散，吸附后很難與水分離，故此項分離技術(shù)還有待進一步的探討和研究.

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