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功能化石墨烯選擇性吸附重金屬離子

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)東北大學理學院 作者:陳景榜

  重金屬離子污染日益嚴重,石墨烯作為一種新型碳材料在吸附重金屬離子方面具有巨大潛力。本文通過嘗試,探索出基于酯化反應將功能團乙二胺四乙酸(EDTA)連接到氧化石墨烯(GO)表面合成功能化氧化石墨烯(EDTA-GO)的新方法。研究結果顯示:EDTA-GO 飽和吸附量高達(355±17)mg/g,較改性之前提高了17.5%,并且符合Langmuir 單層吸附模型。隨著pH 值的升高,EDTA-GO 的吸附性能越來越強。吸附平衡時間在4 分鐘以內。通過將Pb2+ 與Cd2+ 和Cu2+ 相比較,發現在pH=4.6 的條件下Pb2+ 的飽和吸附量遠大于后兩者,表現出良好的選擇性吸附特點。

  重金屬一般是指密度在4 以上的60 余種元素或密度在5 以上的45 種金屬元素,但是由于不同重金屬在水和土壤中的毒性相差甚遠,所以在環境科學領域人們通常關注釩、鉻、鈷、鎳、銅、鋅、鎘、錫、汞、鉛等金屬離子。重金屬大多以單質或化合物形式普遍存在于自然界中,不會對生態和人類構成太大威脅。但是近些年來由于人類對金屬礦物的過度開采和冶煉,以及化工、電子、儀表、機械制造等工業生產過程,產生了大量含重金屬離子(鎘、鉻、銅、汞、鎳等)的廢水,這些都是水和土壤的主要污染源。重金屬離子會在人體內聚集從而導致中毒、癌癥和神經系統的損壞。吸附法在治理廢水中重金屬離子方面有不產生二次污染,反應效率高,效果顯著且設備簡單等優點,因此一直都受到學者和研究人員的廣泛關注,越來越多的人認識到我們需要尋找到成本更低、效率更高、制備更容易、重復使用性更好的吸附劑,石墨烯就是其中之一。

  石墨烯是一種由碳原子以sp2 雜化軌道組成呈蜂窩狀正六邊形晶格的二維平面結構的材料,其厚度僅為一個或幾個碳原子層的厚度。石墨烯是一種理想的無孔吸附劑,吸附作用主要發生在其表面,由于石墨稀粉末隨機的團聚給重金屬離子提供了一個開放通道,吸附很快可以達到平衡狀態。由于其特殊的完美結構,石墨烯擁有較大的比表面積,同時具有吸附容量大,吸附迅速,易于回收和二次使用等特點,所以可以被用作新型吸附材料。大量專家學者展開了對石墨稀和氧化石墨稀吸附性能的研究,無論從實驗探索還是理論計算都證實了以石墨烯為基礎的材料具有很高的吸附能力。Yang 等人研究表明氧化石墨烯對Cu2+ 的吸附能力比活性炭高十倍。Deng 等用六氟磷酸鉀作為電解液電解的方法使石墨烯官能化,即在石墨烯中引入官能團,從而提高石墨烯的吸附性能,實驗證明他們所制備的GNSPP6 材料對于Pb2+ 和Cd2+ 有較好吸附效果,其吸附容量分別達到406.6 mgg-1 和73.42 mgg-1

  石墨烯氧化物表面含有大量的含氧基團,這些基團使其表面帶負電荷,電荷之間的靜電斥力可以使其穩定地分散在水相體系中。石墨烯氧化物被還原成石墨烯后,由于石墨烯結構完整,化學穩定性高,其表面呈惰性狀態,與其它介質(如溶劑等)的相互作用較弱,并且石墨烯片與片之間有較強的范德華力,容易產生聚集,使其在水及常見的有機溶劑中難于分散,這給石墨烯的進一步研究和應用造成了極大的困難。因此,對其進行有效地修飾和功能化提高其分散性尤為重要。所謂功能化就是利用石墨烯在制備過程中表面產生的缺陷和基團通過共價、非共價或摻雜等方法,使石墨烯表面的某些性質發生改變,更易于研究和應用。由于石墨烯和CNTs 具有類似的結構,而且表面都含有羧基、羥基等含氧基團,因此對CNTs 表面功能化的方法一般也適合于石墨烯表面的功能化。

  石墨烯摻雜是實現石墨烯功能化的重要途徑之一,是調控石墨烯電學與光學性能的一種有效手段,摻雜后的石墨烯因其具有巨大的應用前景已經成為研究人員關注的熱點。

1、實驗過程

1.1、EDTA-GO 合成步驟

  將氧化石墨烯(GO)100 mg、EDTA200 mg 和對甲基苯磺酸40 mg 溶解于50 ml N-N 二甲基甲酰胺(DMF)中,150℃油浴回流攪拌加熱,冷卻至室溫,離心,用四氫呋喃(THF)洗滌,再烘干。

1.2、EDTA-GO 和GO 的Pb2+飽和吸附量測試

  用1000 mg/L 的鉛標準溶液分別配制100mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250mg/L、300 mg/L、350mg/L、400 mg/L、450 mg/L 和500 mg/L 的鉛溶液各100 ml 兩份,將EDTA-GO 和GO 置于上述溶液中,密封保存36 h。用濾頭吸取上清液,稀釋100倍后待測。

1.3、pH 值對EDTA-GO 飽和吸附量影響測試

  用1000 mg/L 的鉛標準溶液配制100mg/L 的鉛溶液100 ml 五份,將EDTA-GO 置于上述溶液中,密封保存36 h。用濾頭吸取上清液,稀釋100倍后待測。

1.4、EDTA-GO 吸附平衡時間測試

  用1000 mg/L 的鉛標準溶液配制100 mg/L 的鉛溶液200 ml,將EDTA-GO 置于上述溶液中,在吸附2 min、4 min、8 min、15 min、30 min、60 min和120 min 時,用濾頭吸取上清液,稀釋100 倍后待測。

1.5、EDTA-GO 對于Pb2+離子的選擇性吸附測試

  用1000 mg/L 的銅標準溶液分別配制100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 和500 mg/L 的銅溶液各100 ml。用1000 mg/L 的鎘標準溶液分別配制100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 和500 mg/L 的鎘溶液各100 ml。將備用的EDTA-GO置于上述溶液中,密封保存36 h。用濾頭吸取上清液,吸附后的銅溶液稀釋100 倍,鎘溶液稀釋250倍待測。

2、結論

  本文采取酯化法合成了EDTA-GO,開辟了一種利用氧化石墨烯上的羥基進行改性的新方法。并對合成的新材料進行了吸附性能研究,得出了如下結論:

  (1)采用酯化法合成了新型石墨烯材料EDTA-GO。反應物氧化石墨烯、EDTA、對甲基苯磺酸配比為2.5:5:1,水浴回流加熱,洗滌,烘干,真空密封保存。

  (2)在pH 值為4.6,室溫條件下,改性之前的GO 對Pb2+ 最大飽和吸附量為302±15 mg/g,改性之后的EDTA-GO 為355±17 mg/g,飽和吸附量實際提高了17.5%,證明改性成功。

  (3)EDTA-GO 對重金屬離子的吸附符合Langmuir單層吸附模型,平衡吸附時間小于4 min,并且隨著pH 值的增加,EDTA-GO 的吸附性能大大提高。

  (4)在相同條件下,EDTA-GO 對三種重金屬離子的最大飽和吸附量為:鉛離子(355±17)mg/g、銅離子(161±8)mg/g、鎘離子(129±6)mg/g。鉛離子的最大飽和吸附量約為銅的兩倍,或者說鎘的三倍,這說明EDTA-GO 對于鉛離子具有較好的選擇吸附性。

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