田金光,高小媛,李珍,張國輝,王麗莉
(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 煉化公司,陜西 延安 727406;2.陜西省石油化工研究設(shè)計院,陜西 西安 710054;3.陜西省工業(yè)水處理工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710054)
環(huán)境污染日益嚴(yán)重,特別是重金屬污染威脅人類健康[1-2]。吸附具有簡單、高效、節(jié)能、運行成本低等特點,在水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛能。氧化石墨烯(GO)化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)優(yōu)異,含氧官能團(tuán)豐富,比表面積理論值達(dá)到2 630 m2/g,成為良好的新型吸附材料,在水處理中對重金屬離子的吸附效率較高[3-4]。但是為了解決吸附材料從水體中分離出來[5-9],需要合成一種帶有磁性的吸附材料,以實現(xiàn)在磁場的作用下吸附材料能分離后再次使用。四氧化三鐵磁性強(qiáng)且廉價易得,把Fe3O4負(fù)載在氧化石墨烯表面制備出磁性氧化石墨烯材料,就能實現(xiàn)對重金屬離子具有強(qiáng)效吸附并且可和水體輕松分離開來。本文以 FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O和氧化石墨烯為原料,在NH3·H2O條件下,制備氧化石墨烯/四氧化三鐵的磁性復(fù)合材料(MGO),考察其對Cu2+的吸附。
HCl、Cu(NO3)2、NaOH、FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、NH3·H2O均為分析純;氧化石墨烯(GO),工業(yè)級。
AA-3300火焰原子吸收分光光度計;ZYC-100BR空氣浴旋轉(zhuǎn)搖床;202-OES電熱鼓風(fēng)干燥箱。
將0.7 g氧化石墨烯(GO)分散于60 mL蒸餾水,加入500 mL圓底燒瓶中,超聲分散30 min。將5.0 g FeCl2·4H2O和8.0 g FeCl3·6H2O的混合物溶解于去離子水中,加入上述500 mL的圓底燒瓶中,迅速加入40 mL氨水,攪拌30 min。將恒溫磁力攪拌油浴鍋升溫至90 ℃,反應(yīng)150 min。反應(yīng)結(jié)束后,用蒸餾水和乙醇洗滌產(chǎn)物數(shù)次,置于磁場進(jìn)行吸附分離,70 ℃真空干燥,制備得到MGO。
100 mL錐形瓶中加入20 mL濃度為200 mg/L的Cu2+溶液、20 mg MGO,同時將等質(zhì)量的MGO吸附蒸餾水作為空白實驗。常溫下,在恒溫水浴回旋調(diào)速振蕩器上以130 r/min速度振蕩10 h。磁分離后,采用火焰原子吸收分光光度計測定溶液中Cu2+的濃度,計算吸附容量及Cu2+去除率。
(1)
(2)
式中qe——吸附容量,mg/g;
R——GMO對Cu2+的去除率,%;
C0——Cu2+初始濃度,mol/L;
Ce——Cu2+平衡濃度,mol/L;
V——廢水體積,L;
W——MGO干燥后的質(zhì)量,g。
2.1.1 SEM GO、Fe3O4和MGO的SEM圖見圖1~圖3。
圖1 GO不同放大倍數(shù)的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of GO at different magnifications
由圖1可知,GO表面光滑且有許多褶皺,呈片狀二維結(jié)構(gòu)納米材料,褶皺導(dǎo)致比表面積和吸附容量增大,這一特殊結(jié)構(gòu)使得磁性粒子易負(fù)載。
圖2 Fe3O4不同放大倍數(shù)的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photographs of Fe3O4 withdifferent magnifications
圖3 MGO不同放大倍數(shù)的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photographs of MGO withdifferent magnifications
結(jié)合圖2、圖3可知,GO表面有很多負(fù)載的白色粒子,這就是鐵氧化合物粒子,表明成功合成了磁性氧化石墨烯材料。
2.1.2 XRD分析 GO、MGO的XRD見圖4、圖5。
圖4 GO的X射線衍射圖譜Fig.4 X-ray diffraction pattern of GO
圖5 MGO的X射線衍射圖Fig.5 X-ray diffraction pattern of MGO
由圖4可知,氧化石墨烯在2θ為10.06,16.06,42.53°均出現(xiàn)明顯特征衍射峰。圖5中,對比標(biāo)準(zhǔn)XRD標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片,磁性氧化石墨烯復(fù)合材料中在 2θ為30.04,35.33,43.03,53.46,56.97,62.53°均出現(xiàn)Fe3O4的特征衍射峰,圖5 MGO的XRD圖譜中沒有明顯的氧化石墨烯的衍射峰出現(xiàn),說明復(fù)合材料中GO的結(jié)晶度降低,呈無序堆積狀態(tài)。
2.1.3 MGO的紅外光譜 MGO的FTIR見圖6。
圖6 磁性氧化石墨烯材料的傅里葉紅外光譜圖Fig.6 Fourier infrared spectrum of magneticgraphene oxide material
量取C0=200 mg/L的Cu2+溶液20 mL,考察溶液pH值對吸附Cu2+的影響,結(jié)果見圖7。
實驗過程發(fā)現(xiàn),Cu2+溶液在調(diào)節(jié)pH值達(dá)到5.5以上時開始出現(xiàn)沉淀,離子溶度積常數(shù)越小,越容易發(fā)生沉淀,Cu2+的溶度積常數(shù)是2×10-20。因此,為了避免沉淀對吸附材料吸附性能研究的影響,Cu2+溶液的pH選擇5.5作為吸附的最佳pH值。
圖7 pH值對MGO吸附銅離子的影響Fig.7 Effect of pH value on MGO adsorptionof copper ions
Cu2+溶液V=20 mL,C0=200 mg/L,pH值=5.5(0.1 mol/L 的鹽酸和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié) )。MGO加入量20 mg,保持20~50 ℃的溫度范圍內(nèi),振蕩反應(yīng)10 h,吸附實驗結(jié)束后磁性分離,用火焰原子吸收分光光度法測定殘余Cu2+的濃度。溫度對Cu2+吸附的影響見圖8。
圖8 溫度對MGO吸附銅離子的影響Fig.8 The effect of temperature on the adsorptionof copper ions by MGO
由圖8可知,30 ℃時,磁性氧化石墨烯對Cu2+的吸附率達(dá)最高值98.1%,20~50 ℃時,吸附率隨著溫度的升高先增大后減小,該吸附是一個放熱過程,吸附平衡時,溫度越高,吸附量越低。即最佳溫度30 ℃為宜。
將20 mL濃度200 mg/L Cu2+溶液置于50 mL的離心管中,調(diào)節(jié)pH值為5.5左右(用濃度為 0.1 mol/L 的HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)),MGO加入量為20 mg,置于 30 ℃,130 r/min的恒溫空氣浴旋轉(zhuǎn)搖床中振蕩,設(shè)置不同時間取樣,用磁鐵進(jìn)行磁性分離,測定殘余Cu2+的濃度,結(jié)果見圖9。
由圖9可知,MGO飽和吸附時間在150 min 左右,飽和吸附量為61.4 mg/g,Cu2+去除率98.1%,MGO吸附性能良好。
圖9 反應(yīng)時間對MGO吸附Cu2+的影響Fig.9 Effect of reaction time on Cu2+ adsorption of MGO
圖10 MGO對Cu2+吸附的準(zhǔn)二級動力學(xué)Fig.10 Quasi-second-order kinetics ofMGO adsorption of Cu2+
由圖10可知,得到良好的線性關(guān)系,表明MGO對溶液中Cu2+的動力學(xué)吸附符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。
表1 磁性氧化石墨烯對Cu2+吸附的動力學(xué)參數(shù)Table 1 The kinetic parameter of magneticgraphene oxide on Cu2+ adsorption
采用一步共沉淀法,以FeCl2·4H2O、FeCl3·6H2O和氧化石墨烯為原料,在堿性條件下制備氧化石墨烯/四氧化三鐵的磁性復(fù)合吸附材料(MGO),對20 mL濃度為200 mg/L、pH=5.5的Cu2+溶液,加入MGO=20 mg。溫度30 ℃吸附 150 min 后基本達(dá)到平衡,最大吸附容量為 61.4 mg/g,Cu2+去除率為98.1%。磁性氧化石墨烯材料對Cu2+的吸附符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型。