王卓，鄧娟，朱君妍，周超，周曉吉，郭永福，白仁碧（蘇州科技學(xué)院分離凈化材料與技術(shù)研發(fā)中心，江蘇蘇州215009）

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負(fù)載鉻鈷石墨烯基材料對汞（Ⅱ）的吸附性能研究

王卓，鄧娟，朱君妍，周超，周曉吉，郭永福，白仁碧
（蘇州科技學(xué)院分離凈化材料與技術(shù)研發(fā)中心，江蘇蘇州215009）

利用石墨烯的還原性與過渡金屬鹽類的氧化性，制備得到分別負(fù)載有鉻和鈷的還原氧化石墨烯（RGO）復(fù)合材料RGO/Cr和RGO/Co，并將其應(yīng)用于對Hg2+的吸附。結(jié)果表明：RGO/Cr比RGO/Co及RGO具有更大比表面積，負(fù)載鉻和鈷后RGO的親水性能顯著增加。Langmuir擬合RGO、RGO/Cr、RGO/Co對Hg2+的理論單層最大吸附容量分別為128.98、181.86、146.86mg/g，同時吸附過程均符合偽一級和偽二級動力學(xué)模型。

石墨烯；吸附；汞；吸附動力學(xué)

目前對水體中汞的去除技術(shù)主要有化學(xué)沉降、離子交換、膜過濾、絮凝混凝、反滲透和吸附等方法〔1〕。其中，吸附法特別適用于對水體中低濃度污染物的去除，并因其具有較高的經(jīng)濟(jì)性和較好的去除效果而被廣泛應(yīng)用和研究〔1〕。

石墨烯作為碳元素家族中新出現(xiàn)的成員，以其獨(dú)特的二維sp2雜化結(jié)構(gòu)，近年來引起了研究者們的廣泛關(guān)注〔2-3〕。由于其具有高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，石墨烯及其衍生物作為吸附材料逐漸進(jìn)入水處理行業(yè)〔4-5〕。近年來，隨著石墨烯復(fù)合物以及體相支撐材料的出現(xiàn)〔5-8〕，石墨烯用于大規(guī)模凈水處理成為可能。在這些石墨烯衍生物中，摻雜過渡元素的石墨烯具有較高吸附容量并能夠較快達(dá)到吸附平衡〔5〕。

為探究過渡元素?fù)诫s的石墨烯復(fù)合物對水中重金屬離子的去除性能和效果，同時為金屬-石墨烯復(fù)合物吸附重金屬離子的研究提供補(bǔ)充與參考，本研究選用過渡元素中的鉻和鈷作為摻雜元素，采用氧化還原法制備相應(yīng)的石墨烯衍生物，并用于對水中重金屬Hg2+的吸附研究。研究中采用的摻雜元素法具有易操作、快速簡單的特點(diǎn)，使得后續(xù)規(guī)模合成石墨烯復(fù)合物成為可能。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 RGO/Cr和RGO/Co的制備

除特別說明外，所用試劑均為化學(xué)純。取0.5 g氧化石墨（南京先豐納米材料科技有限公司）置于500mL容量瓶中，并用超純水定容（>30 MΩ·cm，25℃）后經(jīng)超聲13 h得到剝離較好的氧化石墨烯。再加熱蒸發(fā)濃縮至300mL后加入1.25mL水合肼（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%）和1.05 mL氨水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%）至溶液pH為10左右〔5，7〕。將所得混合液在90℃下冷凝回流2 h得到絮凝狀的還原氧化石墨烯（RGO），再采用真空抽濾，用超純水洗滌至濾出液pH為7左右。過濾后的RGO經(jīng)冷凍干燥38 h得到RGO粉末。稱取0.000 9、0.004 4、0.008 8、0.044 1、0.070 6 g的K2Cr2O7粉末定容至500mL，同時稱量0.001 2、0.005 9、0.011 9、0.059 5、0.095 2 g的CoCl2· 6H2O定容至500mL后，即分別得到濃度為0.01、0.05、0.10、0.50、0.80mmol/L的Cr6+或Co2+溶液。取50mg RGO分別與含Cr6+或Co2+的溶液充分?jǐn)嚢璨⒒旌暇鶆?。?℃條件下保存24 h后，將混合物繼續(xù)經(jīng)真空抽濾和超純水洗滌至濾出液pH為7左右，最后在60℃條件下真空干燥24 h，即得RGO/Cr和RGO/Co的粉末材料。

1.2 RGO/Cr和RGO/Co的表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM，Phenom Pro，荷蘭）對吸附劑的表面形態(tài)進(jìn)行表征；采用傅里葉紅外光譜儀（FTIR，Nicolet 6700，Thermo-Nicolet FTIR，美國）對吸附劑的表面有機(jī)官能團(tuán)進(jìn)行表征；采用粒徑分析儀（ZetaPALS，Brookhaven，美國）對吸附劑在溶液中的粒徑分布進(jìn)行表征；采用接觸角測試儀（Ramé-hart200，Raméhart，美國）對吸附劑表面潤濕性進(jìn)行測定。

1.3 Hg2+溶液的配制

為了能夠在較長時間內(nèi)保存Hg2+溶液，實(shí)驗(yàn)以體積分?jǐn)?shù)為1%的HNO3和體積分?jǐn)?shù)為0.01%的HCl溶液〔9-10〕作為定容劑。稱量0.676 7 g HgCl2粉末至上述溶液后定容于500mL容量瓶中，得到質(zhì)量濃度為1 000mg/L的HgCl2儲備液，并用逐級稀釋法稀釋儲備液至約1mg/L用于吸附實(shí)驗(yàn)。

1.4吸附實(shí)驗(yàn)

分別準(zhǔn)確稱取0.004 0 g吸附劑投加至20mL質(zhì)量濃度約為1mg/L的HgCl2溶液中，經(jīng)40min水浴超聲后得到分散均勻的混合物，于25℃、200 r/min條件下進(jìn)行水浴震蕩（ZWY-110X50，鄭州志誠儀器設(shè)備）20 h，再經(jīng)濾膜（0.22μm，Rephi Quik Syringe Filter，RephiLe Bioscience）過濾后對溶液中剩余的Hg2+濃度Ce進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)中Hg2+濃度采用冷原子吸收分光光度法（F732-VJ，上海華光）測定。

1.4.1不同鉻、鈷負(fù)載量的影響

將負(fù)載有0、0.01、0.05、0.10、0.50、0.80 mmol/L的0.004 0 g RGO/Cr或RGO/Co材料分別對質(zhì)量濃度為1mg/L、pH=1的Hg2+溶液進(jìn)行吸附后，得到不同負(fù)載量下材料的平衡吸附容量qe（mg/g）。

1.4.2 pH的影響

將1mg/LHgCl2溶液用濃度均為0.1mol/L的HCl和NaOH溶液分別滴定至pH為1～12后，按照1.4所述方法進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

1.4.3不同固液比的影響

用pH計(jì)（PB-10，Sartorius，德國）調(diào)節(jié)1mg/L HgCl2溶液至pH為7。分別稱取0.001 0、0.002 0、0.003 0、0.004 0、0.005 0 g的RGO（或RGO/Cr、RGO/ Co）后超聲分散于20mL上述Hg2+溶液中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

1.4.4吸附等溫線

采用逐級稀釋法分別配制1.0、6.0、8.0、13.0、18.0、21.0、23.0 mg/L的HgCl2溶液。分別稱取0.004 0g的RGO（或RGO/Cr、RGO/Co）投加至20mL不同濃度的HgCl2溶液中進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

1.4.5吸附動力學(xué)

分別將0.004 0 g的RGO（或RGO/Cr、RGO/Co）投加至20mL pH為7的1mg/L的HgCl2溶液中。將混合溶液的樣品分別超聲5、10、20、40、60、120、180min，每組兩個平行樣。經(jīng)0.22μm濾膜過濾后測定剩余溶液Hg2+濃度，計(jì)算不同吸附時間下吸附劑的吸附容量qt（mg/g）。

2　結(jié)果與討論

2.1材料表征

2.1.1 SEM表征

RGO、RGO/Cr、RGO/Co的SEM圖顯示，RGO表面呈現(xiàn)出形如絲綢狀較少堆疊的形態(tài)，這與相關(guān)文獻(xiàn)中的表征相符合〔11〕；RGO/Co相比RGO的表面呈現(xiàn)一定程度的腐蝕，出現(xiàn)了部分堆疊；而RGO/Cr的表面則呈現(xiàn)出更細(xì)小的絨絲狀和更大程度的堆疊，表明RGO/Cr相比RGO和RGO/Co具有更大的比表面積。

2.1.2 FTIR表征

RGO、RGO/Cr、RGO/Co的紅外光譜表明，RGO、RGO/Cr、RGO/Co在3 432.7～3 448.3 cm-1處的非對稱峰為締合羥基或游離羥基（O—H）的伸縮振動，可能由于吸收水分子引起〔12-13〕，而1 075.08～1 101.84 cm-1處則是C—O鍵的伸縮振動〔11〕。RGO/ Co在上述范圍的透射率最小，說明RGO/Co中的C—O基團(tuán)含量相比RGO/Cr和RGO更高。波數(shù)在1 553.47～1 561.19 cm-1處為石墨烯片層骨架結(jié)構(gòu)C=C伸縮振動〔11〕。RGO和RGO/Cr在1 629.87～1 633.19 cm-1處的高透射率可能是由石墨烯未氧化部分骨架結(jié)構(gòu)或吸收的水分子所引起的〔13〕。RGO和RGO/Cr在2 921.31 cm-1處存在少量吸收，這可能是表面存在少量烷基中的C—H鍵的反對稱伸縮振動所引起的。通常含有Cr（Ⅲ）類化合物在850～750 cm-1段的810、798 cm-1附近會出現(xiàn)吸收峰，結(jié)合RGO/Cr在802.63 cm-1處存在的少量吸收，估計(jì)K2Cr2O7負(fù)載在RGO上時Cr6+可能被還原，因此RGO/Cr在802.63 cm-1處的峰可能是由于Cr—O—Cr鍵伸縮振動引起的〔14〕。

2.1.3分散性

分別稱量0.0400 g的RGO（或RGO/Cr、RGO/Co）分散到20mL pH=1的1mg/LHgCl2溶液中，比較未經(jīng)超聲直接混合和經(jīng)過40 min超聲之后的材料分散性，結(jié)果顯示RGO/Cr的分散性相對較好，而RGO分散性最差，這可能是3種材料在溶液中的粒徑分布、親水性以及表面Zeta電位等共同作用的結(jié)果。

RGO/Co和RGO/Cr經(jīng)40min超聲后在1mg/L pH=1的HgCl2中基于對數(shù)正態(tài)分布的粒徑分布結(jié)果表明，RGO/Cr、RGO/Co的最可幾粒徑分別為4 767.5、5 308.7 nm，RGO/Cr相比RGO/Co在溶液中具有更小的粒徑。

2.1.4親水性

為進(jìn)一步探究3種材料的表面潤濕性對其分散性的影響，對RGO、RGO/Cr、RGO/Co的接觸角進(jìn)行測定：0.004 0 g的RGO、RGO/Cr、RGO/Co分散至20m L超純水中，經(jīng)40min超聲分散后均勻涂覆在0.45μm的混合纖維素酯微孔濾膜（上海興亞）表面，再經(jīng)48 h的40℃真空干燥后，用1μL超純水進(jìn)行接觸角測定。結(jié)果表明：3種石墨烯材料的表面接觸角分別為157.2°±0.99°、131.8°±0.65°、143.6°± 1.29°，說明RGO/Cr相比RGO和RGO/Co親水性更強(qiáng)，而RGO親水性最差。相關(guān)研究也表明：通過摻雜某些無機(jī)納米顆粒能夠改善材料表面的親水性〔15-16〕。

2.2吸附劑對Hg2+的吸附

2.2.1不同鉻、鈷負(fù)載量的影響

圖1所示為不同負(fù)載量的RGO/Cr和RGO/Co對Hg2+吸附效果的影響。

圖1　不同鉻、鈷負(fù)載量對Hg2+平衡吸附容量的影響

由圖1可知，當(dāng)鉻、鈷的負(fù)載量分別為0.50、0.01 mmol/L時，它們對Hg2+的平衡吸附容量和去除率均達(dá)最大值。此時RGO/Cr和RGO/Co對Hg2+的平衡吸附容量分別為3.35、0.98mg/g，相應(yīng)的去除率分別為63.35%、18.56%。未經(jīng)負(fù)載的RGO在該條件下的吸附容量與去除率分別為0.43mg/g和8.14%。從結(jié)果可以看出，RGO/Cr相比RGO和RGO/Co對Hg2+的吸附效果更佳。

通常吸附劑對吸附質(zhì)的吸附效果是吸附材料的表面官能團(tuán)、表面Zeta電位、分散性、粒徑大小以及比表面積等共同作用的結(jié)果。相關(guān)研究表明：負(fù)載金屬納米顆?；蚪饘傺趸锛{米顆粒的RGO在吸附Hg2+后，表面會出現(xiàn)顆粒物聚集的現(xiàn)象。透射電鏡發(fā)現(xiàn)吸附后的材料負(fù)載上的金屬或金屬氧化物的顆粒粒徑相比吸附前增大，X射線能譜圖中發(fā)現(xiàn)吸附在表面的Hg元素分布與負(fù)載的金屬元素分布區(qū)域相同，可以認(rèn)為Hg2+在吸附過程中優(yōu)先聚集在金屬負(fù)載物的表面，從而增大了吸附材料對Hg2+的親和性，導(dǎo)致負(fù)載金屬材料后吸附容量增大〔5〕。結(jié)合SEM圖分析可知，RGO/Cr相比RGO/Co出現(xiàn)了更多的堆疊，因而具有更大的比表面積，同時RGO/Cr的最可幾粒徑更小、親水性更好，在溶液中的分散性也更好，因而RGO/Cr比RGO/Co吸附性能更佳。

由圖1還可看出，兩種材料對Hg2+的吸附效果均出現(xiàn)了隨金屬負(fù)載量先增強(qiáng)后減弱的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵诘拓?fù)載量條件下，金屬負(fù)載物對Hg2+的親和性起到了主導(dǎo)作用，而隨著負(fù)載量的逐漸增大，金屬負(fù)載物逐漸開始搶占RGO上的結(jié)合位點(diǎn)，因而之后Hg2+的吸附容量逐步下降。

2.2.2 pH的影響

圖2為不同pH下3種吸附劑對Hg2+的平衡吸附容量和去除率的影響。

圖2　 pH對Hg2+吸附的影響

3種材料的平衡吸附容量和去除率均隨pH的增加而變大。RGO、RGO/Cr、RGO/Co在pH分別為6.06、6.12、7.11時的平衡吸附容量和去除率均達(dá)最大值，此時的qe分別為4.796、5.228、5.205mg/g，去除率分別為95.44%、99.59%、98.58%。因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)pH選在7左右。

2.2.3不同固液比的影響

不同固液比對pH為7時1mg/LHgCl2溶液的吸附容量和去除率的影響如圖3所示。

圖3　固液比對Hg2+吸附的影響

由圖3可看出，3種材料對Hg2+的去除率均隨固液比的增加而增加。當(dāng)固液比從0.05 g/L增加到0.15 g/L時，3種材料對Hg2+的平衡吸附容量快速下降，但繼續(xù)增加固液比到0.25 g/L時，3種材料對Hg2+的平衡吸附容量雖略有下降但趨勢變緩。這是由于隨著固液比的快速增加（從0.05 g/L提高到0.15 g/L），溶液中吸附劑表面提供的吸附位點(diǎn)迅速增多，而溶液中吸附質(zhì)濃度卻是一定的，此時液相中吸附質(zhì)與吸附劑表面上吸附位點(diǎn)的結(jié)合率成為Hg2+去除的限制因素，因此表現(xiàn)為隨著固液比的增加，Hg2+的去除率上升，而單位質(zhì)量吸附劑所吸附的Hg2+的量卻迅速減少。

當(dāng)固液比從0.15 g/L繼續(xù)增加到0.25 g/L時，固液比的增幅變緩，此時液相中Hg2+的濃度、材料本身對Hg2+的親和特性、Hg2+濃度的下降所帶來的從液相到固相表面的Hg2+濃度梯度的變化（濃度擴(kuò)散），均成為Hg2+去除的限制因素，因此此時表現(xiàn)為Hg2+的去除率繼續(xù)上升，但吸附劑對Hg2+平衡吸附容量的下降幅度變緩。

2.2.4吸附等溫線

用Langmuir和Freundlich模型對3種材料吸附等溫線進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果表明，由Langmuir擬合得到RGO、RGO/Cr、RGO/Co3種材料的理論單層最大吸附容量分別為128.98、181.86、146.86mg/g，以RGO/Cr吸附量最高。RGO、RGO/Cr、RGO/Co 3種材料對應(yīng)的Langmuir吸附等溫線常數(shù)分別為0.942 12、1.339 79、0.754 38 L/mg。

用以描述Langmuir模型中吸附劑吸附特性的分離系數(shù)（RL）＞1時，表示不利于吸附；0＜RL＜1時，表示有利于吸附；當(dāng)RL=0時，吸附過程為不可逆吸附〔17〕。三種材料的RL均小于1（介于0至0.6之間），表明吸附過程均為有利吸附，同時RGO/Cr的RL小于另外兩種材料，說明RGO/Cr對Hg2+的吸附最為有利。RGO、RGO/Cr、RGO/Co 3種材料非線性擬合得到相關(guān)系數(shù)分別為0.963 3、0.939 3、0.944 6。而RGO/Co的RL相比RGO/Cr和RGO較大，則說明可逆吸附程度最大。

Freundlich模型擬合結(jié)果表明，RGO、RGO/Cr、RGO/Co3種材料的吸附強(qiáng)度分別為1.4461、1.2908、1.336 3 L/mg，相關(guān)系數(shù)分別為0.919 6、0.865 6、0.857 7。3種材料吸附強(qiáng)度均大于1說明化學(xué)吸附為主要過程，同時RGO的吸附強(qiáng)度最大，說明RGO表面對Hg2+的吸附不均勻程度最大。

2.2.5吸附動力學(xué)

3種吸附劑的吸附容量qt隨時間變化如圖4所示。

從圖4可以看出，3種材料對Hg2+的吸附容量增長速率均隨時間逐步減慢，在2～3 h基本達(dá)到吸附平衡。RGO/Cr和RGO/Co相比RGO在前40min內(nèi)具有更大的吸附速率，同時在相同時刻吸附容量均大于RGO。

圖4　吸附容量隨時間的變化

對Hg2+在3種材料上的吸附行為分別進(jìn)行非線性偽一級和偽二級動力學(xué)擬合，結(jié)果如圖5和圖6所示〔18-19〕。

圖5　偽一級動力學(xué)曲線擬合

圖6　偽二級動力學(xué)曲線擬合

3種材料的偽二級動力學(xué)相比偽一級擬合度較好，這說明吸附過程中的化學(xué)反應(yīng)過程相比傳質(zhì)作用更為顯著。偽二級吸附速率常數(shù)k2均小于偽一級k1，說明化學(xué)吸附過程為整個吸附過程中的控制階段〔20-21〕。

3　結(jié)論

（1）0.004 0 g RGO負(fù)載鉻、鈷量分別為0.5、0.01 mmol/L時對pH為1的1mg/LHg2+去除率和平衡吸附容量均為最大值。

（2）RGO、RGO/Cr、RGO/Co的吸附等溫線符合Langmuir和Freundlich模型，吸附過程均符合偽一級和偽二級動力學(xué)模型，對應(yīng)的Langmuir模型中理論單層最大吸附容量分別為128.98、181.86、146.86 mg/g。

（3）3種材料對Hg2+吸附的最優(yōu)pH為6～7。

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Study on the adsorption capacity formercury（Ⅱ）with chrom ium/cobalt-doped graphene oxidem aterials

Wang Zhuo，Deng Juan，Zhu Junyan，Zhou Chao，Zhou Xiaoji，Guo Yongfu，BaiRenbi
（Center for Separation and Purification Materials&Technologies，Suzhou University ofScienceand Technology，Suzhou 215009，China）

The chromium and cobalt doped reduced graphene oxide（RGO/Cr，RGO/Co）compositematerials have been synthesized bymaking use of the reducibility ofRGO and the oxidability of transitionmetallic salts，and applied to theadsorption forHg2+.The resultsshow that thespecific surfaceareaofRGO/Cr ishigher than thatofRGO/Co and RGO.The hydrophilicity of RGO is effectively improved after having been doped with chromium or cobalt.The theoreticalmonolayeradsorption capacitiesofRGO，RGO/Crand RGO/Co fitting Langmuirmodelare128.98，181.86，and 146.86mg/g，respectively，and the adsorption processes of these threematerials complieswith the pseudo-firstorderand pseudo-second-order kineticmodel.

reduced graphene oxide；adsorption；mercury；adsorption kinetics

X703

A

1005-829X（2016）07-0043-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51578354）；江蘇省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20141179）；蘇州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（SS201334）；江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目；蘇州市分離凈化材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（SZS201512）

王卓（1989—），碩士。E-mail：654862590@qq.com。通訊

聯(lián)系人：郭永福，博士，副教授，碩導(dǎo)。電話：13701546901，E-mail：yongfuguo@163.com。

2016-03-31（修改稿）