改性石墨烯對水中亞甲基藍的吸附性能研究

王曉偉

（太原工業學院，山西 太原 030008）

近年來，中國的綜合實力在提高，我國城市化也在向前穩步前進，同時，社會工業化進程也在不斷加快，這也就造成大量的工業廢水被接連不斷地排入干凈的河流中，如今水質惡化已經成為了一個非常嚴重的問題。針對這種情況，國家規定了污水如何達標排放，所以相關工廠在排放廢水時就必須先對它們進行一個高效處理。改性石墨烯這時就發揮了它的作用。石墨烯又稱為單層石墨，有特殊的內部結構和獨特的性能，所以，石墨烯現在是一種十分重要的新材料，而且被廣泛地運用在電子、生物和醫學等領域。近年來，石墨烯又在污水處理領域得到了重用，這引起了人們的重視，它可以有效地去除水中的復雜成分。此次研究選取了已經改進的石墨烯，并且在其表面添加了一定的活性劑改進其性質，仔細分析最開始對亞甲基藍的去除效果，為類似污染提供有效的治理措施。

1 材料和方法

石墨粉、儀器和各種化學試劑必須是購自正規公司，質量有一定的保障，另外，實驗所用水也必須是超級純凈的水。

石墨烯制備。可以根據Hummers 的方法自己在實驗室制作石墨烯，因為制作原料有膨脹的石墨，所以要注意氧化劑和石墨的比例以及控制發生氧化的時間。首先在100mL 的燒杯中加入13mL 濃度比較高的硫酸，待到溫度下降到零度后，再放入1.6g 的高錳酸鉀和0.25g 的硝酸鈉，同時均勻攪拌，再冷卻到零度，然后再加入0.25g 的膨脹石墨，在恒溫下放置1 天，后再加熱直到35℃，同時，用工具攪拌30min，再加入一定量的去離子水，當溶液溫度升高到98℃時，再接著均勻攪拌15min，這時就可以看到容器中的液體由原來的黑色變成了金黃色。然后將剩下的氧化劑和適當是雙氧水慢慢添加到溶液中，直到溶液不再產生氣泡。再將溶液經過物理原理其中的水和強硫酸蒸發，再添加鹽酸，直到溶液呈現出中性；當溶液干燥成固體后，再利用它配置成懸浮液，經過超聲加工，使得其中大顆粒化解，后再進行過濾，去除其中的雜物。加入特定溶液，密封在一定溫度中，24h 后干燥就有了石墨烯。通過一系列的掃描儀器對石墨烯的表面特征進行仔細分析。

具體的實驗方法包括以下步驟，將石墨烯放到一定濃度的容量瓶中，振動一定次數后取出來，用過濾膜過濾溶液，用分光法測定其濃度。同樣，將大批量的石墨烯和改性石墨烯放到容量瓶中，經過上述步驟，祛除不同濃度的溶液，利用特定的計算公式算出結果。

當前石墨烯企業在我國的發展趨勢良好，截至2017 年，在工商部門注冊過的與石墨烯相關的企業已經達到了4800多家。具體分布如圖1 所示。

圖1 2010 ～2017 年中國石墨烯新增企業數量表（家）

2 分析結果

成品的表面特征分析。首先是形貌分析，筆者利用實驗室中的顯微鏡對石墨烯進行了仔細的觀察，可以看到它的外表有卷成花瓣的趨勢，這種形狀如果沒有外力的影響會一直保持一個平穩的狀態，很難改變，而且這種外在形狀通過肉眼也可以清晰地觀察到。而改性石墨烯的外表則是魚鱗形狀，而且彼此之間的縫隙也要大于石墨烯的，這主要是因為添加了一定的活性劑，使石墨片變得更薄、間隔更大，所以它的吸附雜質的面積也更大了。又運用投射顯微鏡對改性前后的石墨烯微觀結構進行比較，發現雜亂無序的石墨烯片層層堆積成為石墨烯，其過程是因為在氧化過程中，因為引入了雜化碳原子，使得平面碳層發生變化。另外，石墨烯層本身也具有自發卷堆的特點；活性石墨烯則是薄紗結構，而且它的表面有皺紋。

官能團分析。根據石墨烯和活性石墨烯的紅外光圖可以看出，CTAB 明顯在1558 處出現了較明顯的峰頂，也就是說，在此處形成了人們所知道的酰胺鍵。而改性石墨烯中的官能團其實含量是比較少的，然而不能否認的是它在3433 處也形成了一個比較明顯的峰頂，也就是說，改性石墨烯中其實是存在CTAB 的。

層間距分析。根據繪制的石墨烯和活性石墨烯的XRD 光譜圖來看，石墨烯的層間距經過計算可以得出是0.33mm，還有一些石墨烯可能因為氧化不徹底在非正常處有比較尖銳的波峰。在改性石墨烯的分析圖中，因為CTAB 的含量導致其層間距相對而言比較大，比如，在明顯的波峰處經過計算得出的層間距有0.9、0.34 等數據。

熱重分析。通過一種專業的熱重分析儀器可以準確地測量石墨烯和改性石墨烯中的成分。根據實驗研究數據可以看出，普通的石墨烯質量是從100 ～800℃開始穩定下降，質量損失率達到27%，而改性石墨烯只有在200℃左右才有較大的損失，如果是在800℃的高溫下，那么其質量損失率高達74%。

3 石墨烯和改性石墨烯對亞甲基藍的去除

質量不同的石墨烯和改性石墨烯對去除亞甲基藍有不同的去除作用。先取12 份濃度為100，質量為50 的亞甲基藍，然后加入0.03、0.06、0.2、0.17、0.3 和0.5 的石墨烯和改性石墨烯，讓它們在正常溫度條件下自由反應2h，從曲線分析圖可以看出，這兩種石墨烯對于亞甲基藍的去除效率都是隨著其總量的不斷增加而在提高，當總量一樣時，可以從圖中明顯地看出兩者之間相對而言還是改性石墨烯對亞甲基藍的去除率高一些。從兩者之間的對比試驗可以知道，改性石墨烯中存在的CTAB 并沒有吸附亞甲基藍的作用。當這兩種石墨烯添加量在0.1 ～0.2 時，它們去除亞甲基藍的效率基本上是一致穩定的，最高效率可以達到95%以上。

溶液自身最開始的pH 值對石墨烯和改性石墨烯去除亞甲基藍的影響。和上述實驗一樣，取同樣質量和濃度的溶液，試著調節他們的pH 值，分別可以調節為2、3、4、5、6、7，再在每份溶液中加入一定量的石墨烯和改性石墨烯，在正常溫度下搖晃2h。根據實驗分析結果可以看出，石墨烯對亞甲基藍的吸附性其實很低，當溶液pH 值在2 ～7 時去除率只有僅僅57%。而且很明顯，改性石墨烯吸附亞甲基藍能力十分強，吸附效率可以高達95%以上。所以綜上所述，溶液pH 值對于石墨烯和改性石墨烯去除亞甲基藍的效率基本沒有影響。

溶液反應時間對石墨烯和改性石墨烯的影響。類似于上述實驗，還是取同樣質量和濃度的溶液，這一次是要取20 份，分為兩組，然后加入一定質量的石墨烯和改性石墨烯，讓他們在同樣的溫度下發生不同時長的反應。另外再取10 份50mL 的濃度為50 的溶液，這次是加入同樣量的改性石墨烯，讓它們在同樣的溫度條件下發生反應后對比結果。根據實驗數據知道，它們在不同溫度下的時間曲線基本一致，這也就說明其實溶液發生反應的溫度對于石墨烯和改性石墨烯吸附能力沒有影響。從插圖中可以看出發生反應的15min 之內兩者效率十分高，而在2h 時反應效應逐漸穩定了，綜上可知，若要對石墨烯和改性石墨烯進行亞甲基藍吸附實驗時，反應時間最好是控制在2h 之內。

不同溫度下的溶液反應對石墨烯和改性石墨烯去除亞甲基藍的作用。取同樣質量和濃度分別為40、60、80、100、120 的溶液，把他們分為三組，然后加入一定質量的石墨烯和改性石墨烯，讓他們分別在不同的溫度下發生化學反應。根據實驗數據可以得知，隨著溶液溫度在逐漸升高，石墨烯和改性石墨烯對亞甲基藍的吸附量反而在不斷地降低，所以溶液溫度對于吸附性還是有一定影響的。

4 結語

在制作石墨烯的過程中，添加上一定的活性劑，可以使得其底面間距大幅度提高，從而最終在去除亞甲基藍時效率大大提高，在對比了石墨烯改性前后對水中亞甲基藍的吸附性能后，可以明顯得知，改性石墨烯對其有更大的吸附凈化能力。同時，根據所有的實驗結果可以得知，若要用改性石墨烯吸附亞甲基藍，放入量最好是在2g 左右，而反應溫度最好是293℃，這時候可以達到更好的吸附作用。