功能化石墨烯對亞甲基藍的吸附性能

唐艷茹，丁 鵬，成寶海，張 敏，常 超

(長春師范學(xué)院化學(xué)學(xué)院，長春 130032)

0 引 言

紡織、皮革、造紙、印刷和化妝品等行業(yè)排放的廢水中含有許多剩余的染料，這些染料通常被排放到江河湖海中[1]，這些燃料廢水由于含有復(fù)雜的芳香結(jié)構(gòu)而非常穩(wěn)定不容易從廢水中除去的污染物，所以會產(chǎn)生大量的含酚類、有色的、有毒的甚至致癌的污染物，給人類和水生生物帶來了嚴重的危害[2].因此在這些含有染料的廢水排放進水體以前進行處理是至關(guān)重要的.在這些染料中，亞甲基藍(MB)是最常見的染料之一，是環(huán)保工作工作者最關(guān)心的會給水體帶來嚴重危害的有機污染物.從水中將亞甲基藍除去采用的方法有物理方法和化學(xué)方法，而在這些方法中吸附法是一種經(jīng)濟有效的方法，而對于吸附方法而言，吸附劑的選擇至關(guān)重要，通常理想的吸附劑要求價格低廉，容易制備并且要有高效的吸附效果.一直以來，炭素材料由于具有特殊的石墨表面性質(zhì)而被用作吸附劑來處理廢水[3]，近些年來，國內(nèi)外已經(jīng)有一些研究用碳納米管(CNT)和活性炭吸附處理水中的亞甲基藍的報道了[3-8].石墨烯是碳納米材料家族中的一名新成員，它具有非常大的比表面積，因此我們有理由相信它會是一種很優(yōu)秀的吸附劑.研究發(fā)現(xiàn)制備的功能化石墨烯(GNS)對Pb(II)和Cd(II)具有非常好的吸附效果[9]，但是石墨烯對于有機物的吸附性能還鮮有研究.因此，本文制備了功能化石墨烯并研究了其對亞甲基藍的吸附性能.

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

儀器：Bruker D8 X射線粉末衍射儀(XRD)、Vector 33型傅立葉紅外光譜儀(FT-IR)、JD-2003 電子分析天平、DHG-9030型電熱恒溫鼓風干燥箱、YJ26K型直流電源、KQ-300DB型超聲清洗儀、TGL-16G型高速離心機、TGL-16G型高速離心機、721-分光光度計、實驗室常用玻璃儀器.

試劑：六氟磷酸鉀、無水乙醇、亞甲基藍、濃鹽酸、氫氧化鈉、六次甲基四胺，以上均為分析純；蒸餾水(實驗室自制)、高純石墨棒(直徑5 mm).

1.2 功能化石墨烯的制備方法

稱取1.00 g六氟磷酸鉀溶于15 mL蒸餾水中，溶解后的溶液作為電解液，高純石墨棒作為電極，兩電極間距為4.0 cm，隨后通15 V的直流電12 h，電解完畢后收集產(chǎn)物并用大量蒸餾水洗滌、離心，用無水乙醇洗滌三遍，放入恒溫鼓風干燥箱中在60 ℃ 下干燥10 h，篩選、研磨，產(chǎn)物備用.

1.3 吸附實驗

將15 mg 制備的功能化石墨烯與15 mL亞甲基藍溶液混合，在室溫條件下，振蕩4 h，將吸附劑與亞甲基藍溶液通過離心的方式分離，并用分光光度計測定亞甲基藍溶液的濃度.pH值的變化用氫氧化鈉或濃鹽酸來調(diào)解.

亞甲基藍的吸附量按照公式(1)計算：

(1)

式(1)中：Co表示亞甲基藍在溶液中的初始濃度(mg/L)；Ce表示亞甲基藍溶液平衡濃度(mg/L)；q表示亞甲基藍的吸附量 (mg/g)；W表示吸附劑的質(zhì)量(g)；V表示溶液的體積(L).

2 結(jié)果與討論

2.1 功能化石墨烯的表征

圖1 功能化石墨烯(a)與石墨(b)的XRD圖

圖2 功能化石墨烯的紅外光譜

2.2 pH值對吸附性能的影響

亞甲基藍的初始濃度是350 mg/L，酸度范圍選擇pH值從3.0到11.0，振蕩時間為4 h，結(jié)果見圖3.從圖中可以看出酸度從3.0增加到11.0，功能化石墨烯(GNS)與石墨(GS)對亞甲基藍(MB)的吸附急劇增加，這是由于當溶液酸度較低時，溶液中存在較多的氫離子，這些氫離子占據(jù)了吸附劑的表面使得MB較難被吸附；隨著酸度的增加，溶液中的氫離子越來越少，更多的活性位點被釋放出來，GNS與GS的表面變得更負了，因此就更加容易吸附陽離子型染料MB[10].同時從圖中也可看出GNS對MB的吸附量可達到300 mg/g以上，是GS的3倍以上，這說明電解法制備的功能化石墨烯在電解過程起到了很大的作用，是一種具有潛力的方法.

圖3 pH對功能化石墨烯(GNS)與石墨(GS)吸附亞甲基藍的影響效果圖

2.3 吸附時間的確定

移除的速率是對吸附劑的評價的一個重要因素之一，因此吸附的動力學(xué)實驗是很必要的.在本實驗中，亞甲基藍(MB)的初始濃度為350 mg/L (pH為8.0)，結(jié)果見圖4.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，GNS與GS對MB的吸附速率在開始的20 min里急劇增加，隨后減緩并在60 min的時候達到平衡.這主要是由于在吸附剛開始的階段，吸附劑表面大量的吸附位點吸附MB，隨著吸附的進行，GNS與GS表面被越來越多的MB分子占據(jù)，由于MB分子之間的排斥力，剩下的MB不容易被吸附到吸附劑GNS與GS的表面，因此吸附速率減慢并逐漸達到平衡.除此之外，GNS對MB的吸附能在如此短的時間內(nèi)達到平衡，說明它對MB的吸附有很高的吸附效率，這表明GNS有很高的工業(yè)應(yīng)用價值.

(20 ℃, pH=8.0)

3 結(jié) 語

本文通過一步電解的方法制備了功能化石墨烯，并研究了不同條件下它對水溶液中亞甲基藍的吸附性能.結(jié)果表明，在20 ℃和pH為8.0時，功能化石墨烯對亞甲基藍的吸附量可達300 mg/g，是石墨對亞甲基藍吸附量的3倍;且吸附量隨著酸度的增加而急劇遞增，吸附在60 min時達到平衡.功能化石墨烯具有價格低廉、容易制備的優(yōu)點，是一種對亞甲基藍的吸附量高且在短時間內(nèi)能夠達到吸附平衡的優(yōu)良吸附劑.

參考文獻：

[1] Crini G. Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: a review[J]. Bioresource Technology, 2006, 97(9): 1061-1085.

[2] Altenor S, Carene B, Emmanuel E, et al. Adsorption studies of methylene blue and phenol onto vetiver roots activated carbon prepared by chemical activation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 165(1-3): 1029-1039.

[3] Deng H, Yang L, Tao G H, et al. Preparation and characterization of activated carbon from cotton stalk by microwave assisted chemical activation-Application in methylene blue adsorption from aqueous solution[J]. J Hazard Mater, 2009, 166(2-3): 1514-1521.

[4] Kannan C, Buvaneswari N, Palvannan T. Removal of plant poisoning dyes by adsorption on Tomato Plant Root and green carbon from aqueous solution and its recovery[J]. Desalination, 2009, 249(3):1132-1138.

[5] Liu Q S, Zheng T, Li N, et al. Modification of bamboo-based activated carbon using microwave radiation and its effects on the adsorption of methylene blue[J]. Appl Surf Sci, 2010, 256(10): 3309-3315.

[6] Ashour S S. Kinetic and equilibrium adsorption of methylene blue and remazol dyes onto steam-activated carbons developed from date pits[J]. J Saudi Chem Soc, 2010, 14(1): 47-53.

[7] Yao Y J, Xu F F, Chen M, et al. Adsorption behavior of methylene blue on carbon nanotubes[J]. Bioresour Technol, 2010, 101(9): 3040-3046.

[8] Yu H W, Fugetsu B. A novel adsorbent obtained by inserting carbon nanotubes into cavities of diatomite and applications for organic dye elimination from contaminated water[J]. J Hazard Mater, 2010, 177(1-3): 138-145.

[9] Deng X J, Lü L L, Li H W, et al. The adsorption properties of Pb(II) and Cd(II) on functionalized graphene prepared by electrolysis method[J]. J Hazard Mater, 2010,183:923-930.

[10] Stafiej A, Pyrzynska K. Adsorption of heavy metal ions with carbon nanotubes[J]. Sep Purif Technol, 2007, 58(1): 49-52.