摘 要：本文考察了通過(guò)水熱合成的方法制備的氧化石墨烯（GO）對(duì)水溶液中不同濃度的陽(yáng)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(duì)陽(yáng)離子染料具有高效的吸附性能，且陽(yáng)離子染料初始濃度越高對(duì)吸附越有利，GO對(duì)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(guò)程中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：吸附、氧化石墨烯，陽(yáng)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(guò)吸附實(shí)驗(yàn)考察了氧化石墨烯對(duì)亞甲基藍(lán)、結(jié)晶紫和羅丹明B這三種陽(yáng)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(guò)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(yáng)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(zhǎng)處（664、584、554nm）進(jìn)行檢測(cè)。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(yáng)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(cè)。

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(guò)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(guò)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(duì)陽(yáng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明GO對(duì)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(duì)染料的飽和吸附量也不同，因此GO對(duì)陽(yáng)離子染料的吸附過(guò)程與染料的初始濃度和接觸時(shí)間相關(guān)。

氧化石墨烯對(duì)不同濃度的三種陽(yáng)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(jiǎn)單的水熱合成方法制備的氧化石墨烯分別對(duì)不同濃度的陽(yáng)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(duì)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(duì)染料的吸附過(guò)程中，形成了不同形式的聚合物。氧化石墨對(duì)這三種陽(yáng)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(yáng)離子染料的吸附劑。

這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（21076056），中國(guó)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(jiǎn)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。