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(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(hào)：O613;X703 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(jìn)行氧化得到的，親水性很好[2]，可以應(yīng)用在吸附過程中，并且在半導(dǎo)體、光伏、電池、航天等新領(lǐng)域都將有很大的應(yīng)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(yán)重.因此需要找到合理而有效的處理方法是現(xiàn)如今社會(huì)的一個(gè)重難點(diǎn).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(xué)沉淀法[6]、離子交換法[7]、折點(diǎn)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(jiǎn)稱GO），處理廢水中的氨氮.采用不同的吸附劑用量、pH、時(shí)間，溫度及初始濃度對(duì)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(hù)地球環(huán)境.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 步驟

第一步，配制標(biāo)準(zhǔn)濃度的NH4Cl溶液，作標(biāo)準(zhǔn)曲線.

第二步，用改進(jìn)Hummers法[13]得到GO.

第三步，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)研究，在不同GO用量、溫度、pH、時(shí)間及初始濃度對(duì)吸附的影響;并探討GO的氨氮吸附機(jī)理.

1.2 儀器與試劑

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原料準(zhǔn)備

（1）制備GO：用改進(jìn)的Hummer法制備GO.

（2）酒石酸鉀鈉溶液：準(zhǔn)確配制500g/L的溶液.

（3）納氏試劑：準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線，得出的線性關(guān)系是：

y=0.5097x-0.0442，R2=0.9765.

1.4 實(shí)驗(yàn)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(shè)置溫度為50℃，震蕩2小時(shí)后取出，測(cè)定吸光度.

1.4.2 pH的影響

觀察不同的pH值對(duì)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(shè)置溫度為50℃，震蕩2小時(shí)后取出，測(cè)量吸光度.

1.4.3 溫度的影響

通過考察不同的溫度對(duì)氨氮吸附的影響.找出合適的反應(yīng)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(shí)后，取上層清液測(cè)吸光度.

1.4.4 時(shí)間的影響

取100ml廢水，投入0.2gGO，調(diào)節(jié)pH值和反應(yīng)溫度.分別在5min、10min、15min、35min、40min、45min、55min、90min、110min和115min的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，并測(cè)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(shí)，吸附劑對(duì)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(cè)量其每種濃度的吸光度.

1.4.6 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

以不同溫度下氨氮吸附率數(shù)據(jù)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)曲線.

1.4.7 吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

取不同時(shí)間的氨氮吸附率數(shù)據(jù)，作t和Ln（Qe-Qt）的吸附動(dòng)力學(xué)趨勢(shì)圖.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 用量的影響

由圖2，不同量的GO對(duì)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(dá)到最大吸附率，又快速降低的趨向，當(dāng)pH值為9，GO的吸附率達(dá)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(jìn)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(shí)間的影響

由圖4可以得出，跟著吸附時(shí)段的伸長(zhǎng)，吸附率隨之逐步上升，吸附量也上漲，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間到55min之后，時(shí)間的趨勢(shì)基于平緩.是由于反應(yīng)初始時(shí)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(duì)廢水中氨氮的吸附量基本沒有變化，說明達(dá)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(yīng)溫度升高，增加了分子間的活動(dòng)能力，使分子間相互碰撞機(jī)會(huì)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(dāng)初始濃度為15mg/g時(shí)，GO對(duì)廢水中氨氮的吸附率是75%.因?yàn)樵诎钡跏紳舛鹊偷臈l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(huì)抑制了吸附，引起了解吸的產(chǎn)生.

2.6 等溫吸附實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用吸附方程Langmuir與Freundlich對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(dòng)力學(xué)

將GO吸附廢水中氨氮的吸附過程分別用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如下表和圖.

從上述兩圖中可以得出，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)的回歸性比準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)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(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合模型.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)考察GO對(duì)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(shí)驗(yàn)主要通過探究GO用量、pH值、時(shí)間、溫度以及氨氮初始濃度對(duì)氨氮吸附的影響，得出較佳的反應(yīng)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(shí)間為55min，初始濃度為15mg/L，吸附率為75%.

（2）通過機(jī)理的探討分析，GO對(duì)氨氮的吸附符合Freundlich型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合方程.

（3）此方法針對(duì)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(jià)值.

（4）但是因?yàn)镚O在水中的易分散，吸附后很難與水分離，故此項(xiàng)分離技術(shù)還有待進(jìn)一步的探討和研究.

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