氧化石墨烯對水溶液中陽離子染料的吸附

摘 要：本文考察了通過水熱合成的方法制備的氧化石墨烯（GO）對水溶液中不同濃度的陽離子染料：亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B的吸附作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，GO對陽離子染料具有高效的吸附性能，且陽離子染料初始濃度越高對吸附越有利，GO對亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B的吸附能力分別為199.2，195.4和154.8mg.g-1，結(jié)果表明，氧化石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)和表面的官能團(tuán)在吸附過程中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：吸附、氧化石墨烯，陽離子染料

1 研究背景

氧化石墨烯較其他的吸附劑具有更高的比表面積，且其表面含有大量的含氧官能團(tuán)，包括羥基、羧基和羰基[1]，這使其作為吸附劑具有更高的潛力[2]。本文通過吸附實(shí)驗(yàn)考察了氧化石墨烯對亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B這三種陽離子染料的吸附性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 氧化石墨烯的制備

通過Hummers水熱合成的方法制備氧化石墨烯。

2.2 吸附實(shí)驗(yàn)

將陽離子染料亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B溶于蒸餾水，均配制成5，10和20mg·L-1的染料溶液。室溫下分別將10mg的氧化石墨烯放入100mL的不同濃度的染料溶液中，在磁子攪拌的條件下進(jìn)行吸附反應(yīng)，每隔一定的時(shí)間，取出5mL染料溶液，在3000r·min-1的離心機(jī)中離心2min，然后將上清液放入紫外分光光度計(jì)中，分別在亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B的最大吸收波長處（664、584、554nm）進(jìn)行檢測。磁子攪拌300min后，收集所有的氧化石墨烯。將固體吸附劑與硫酸鋇按照質(zhì)量比1：20的比例研磨均勻，三種不同的陽離子染料按照質(zhì)量比1：30的比例分別與硫酸鋇混合均勻，將固體混合物均放入紫外分光光度計(jì)中進(jìn)行檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧化石墨烯的表征

圖1為GO的SEM圖，經(jīng)超聲震蕩后GO呈片狀結(jié)構(gòu)，片層較薄，且片層的邊緣有輕微的卷曲。

圖2為石墨粉、GO的XRD圖，由圖可知，石墨粉在2θ=26.55°有一個(gè)很強(qiáng)的衍射峰，根據(jù)布拉格方程計(jì)算，晶面間距為0.335nm。鱗片石墨晶體的粒徑較大，晶體的結(jié)晶程度完整性高，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列規(guī)則，在X射線衍射時(shí)譜線的強(qiáng)度很大，峰型尖銳。GO的2θ=9.10°，其層間距為0.971nm，這是由于石墨層間插入大量的氧化劑分子。

圖3為GO的等溫吸附線，圖4為通過DFT方法計(jì)算得到的GO的孔徑分布曲線。DFT方法計(jì)算氧化石墨烯的比表面積為23.3m2·g-1，孔體積為0.097cm3·g-1，比表面積也明顯大于鱗片石墨的1m2·g-1。這表明氧化石墨烯的制備過程中，石墨的層狀結(jié)構(gòu)被拉大。氧化石墨烯的平均孔徑為3.72nm，表明制備的氧化石墨烯樣品為介孔材料。

3.2 氧化石墨烯對陽離子染料的吸附性能

結(jié)晶紫（b）和羅丹明B（c）的飽和吸附量

吸附量的計(jì)算：

某一時(shí)刻吸附劑對染料溶液的吸附量可以用下式計(jì)算：

其中C0和Ce分別是吸附劑吸附前后染料溶液的濃度（mg·L-1），V是染料溶液的體積（L），W是吸附劑的質(zhì)量（g）。

圖5a，b，c分別為室溫下，10mgGO對不同濃度的亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B染料溶液的吸附曲線，從圖中可以看出，在起始階段GO對染料溶液的吸附量迅速增加，隨著接觸時(shí)間的增加，吸附量增加緩慢，在100min左右，GO對亞甲基藍(lán)和結(jié)晶紫的吸附達(dá)到平衡，而羅丹明B的吸附平衡出現(xiàn)在大約200min左右，這說明GO對MB和CV的吸附較RhB要快。當(dāng)染料溶液的初始濃度不同時(shí)，GO對染料的飽和吸附量也不同，因此GO對陽離子染料的吸附過程與染料的初始濃度和接觸時(shí)間相關(guān)。

氧化石墨烯對不同濃度的三種陽離子染料的最大吸附量列在表1中。

4 結(jié)論

本文考察了用簡單的水熱合成方法制備的氧化石墨烯分別對不同濃度的陽離子染料亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B的吸附性能，結(jié)果表明，GO對染料的飽和吸附量受染料的結(jié)構(gòu)和初始濃度的影響較大，氧化石墨烯對染料的吸附過程中，形成了不同形式的聚合物。氧化石墨對這三種陽離子染料的最大吸附量分別為199.2，195.4和154.8mg·g-1。氧化石墨烯將是一種有效的去除水中陽離子染料的吸附劑。

這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金（21076056），中國教育部重點(diǎn)項(xiàng)目（2100016）和高等教育專業(yè)博士學(xué)科點(diǎn)科研基金項(xiàng)目（20091317120005）的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] Li D，Kaner R B.Graphene-Based materials，Materials science 2008，320：1170-1171.

[2]周洋，伏文，陳春年.一步水熱法制備自組裝氧化石墨烯凝膠及其吸附性能的研究[J]復(fù)旦學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，57（6）：789-793.

作者簡介：

靳倩倩（1986- ），女，河北省衡水市人，碩士學(xué)位，工程師，化學(xué)工程與工藝方向。