TiO2-GO復合材料對苯酚廢水的吸附行為

夏愛清， 邢翠娟， 于 玲， 郭云飛

(邢臺學院 化學與化工學院, 河北 邢臺054001)

目前， 水污染對生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重[1]， 化工、 食品、 藥物、 石油化工等行業(yè)不斷排放出酚類、 烴類等有機環(huán)境污染物[2]. 含酚的水可引起人們腹瀉、 視力模糊等癥狀[3]， 國家標準規(guī)定水中酚的質量濃度應小于1 μg/L[4]. 因此， 用合適可行的技術方法治理企業(yè)排放的含苯酚廢水是人們關注的熱點問題.

目前去除污染物的方法主要包括： 1) 吸附法、 膜分離等物理方法； 2) 光、 電催化氧化等化學法； 3) 生物法. 其中以吸附法和化學降解法最常見. 碳材料是一種常見的吸附劑， 在吸附重金屬和酚類廢水中應用廣泛. 氧化石墨烯(GO)是一類含有羧基、 羥基、 羰基、 環(huán)氧基的用氧化法氧化石墨生成的氧化產物， 具有特殊的片層結構， 同時GO表面含有大量的活性官能團， 所以在吸附有機廢水中具有重要的應用價值[5]. 二氧化鈦(TiO2)可作為吸附劑去除污染物， 同時也可作為光催化劑催化降解污染物. 當TiO2與GO形成復合材料(TiO2-GO)后， 處理污染物時， 污染物先轉移到復合材料的表面， GO能在去除污染物時抑制電荷復合， 提高污染物的降解率[6-8]. 本文自主研發(fā)一種二氧化鈦-氧化石墨烯復合材料(TiO2-GO)， 用其研究苯酚模擬廢水的吸附行為， 為苯酚廢水在光催化過程中的前期暗反應階段的研究提供依據.

1 實 驗

1.1 試劑、 儀器和分析方法

TiO2(銳鈦礦型， 上海阿拉丁試劑有限公司)， 石墨(分析純， 天津市河東區(qū)紅巖試劑廠)， 苯酚(分析純， 天津市大茂化學試劑廠).

Fourier紅外光譜(FTIR)用北京北分瑞利分析責任有限公司生產的WQ-510A型Fourier變換紅外光譜儀， 用KBr壓片， 在4 000～400 cm-1內測定； Raman光譜用英國雷尼紹公司生產的RenishawinVia型顯微Raman光譜儀在785 nm的激光激發(fā)下測定； X射線衍射光譜用日本島津公司生產的XRD-6100型X 射線衍射儀， CuKα射線， 2θ=5°～80°測得； 紫外-可見光譜用北京瑞利分析儀器有限公司生產的UV-2200型雙光束紫外-可見分光光度計測得.

1.2 TiO2-GO復合材料的制備

采用改進的Hummers法[9]制備GO. TiO2-GO: 先在100 mL的燒杯中加入5 mL蒸餾水和5 mL無水乙醇， 再加入0.5 g TiO2和0.5 g GO， 將其置于超聲波清洗器中超聲約6 h， 直至形成均一的懸濁液， 離心， 用蒸餾水洗滌沉淀， 自然晾干， 備用.

1.3 批量吸附實驗

分別將質量濃度為50，100，200，300，400，500 mg/L的50 mL苯酚溶液加入250 mL錐形瓶中， 再加入0.1 g吸附劑 TiO2-GO，TiO2，GO， 用0.1 mol/L的HCl或NaOH調節(jié)苯酚溶液的pH值， 在室溫條件下， 置于恒溫水浴振蕩器中， 以200 r/min的轉速進行吸附實驗. 吸附后， 離心分離混合液， 取上層清液進行稀釋， 采用4-氨基安替吡啉分光光度法在510 nm處測定溶液的吸光度， 計算材料的最終吸附量. 吸附量計算公式為

Qe=[(ρ0-ρe)×V]/m，

其中Qe為吸附平衡時的吸附量(mg/g)，ρ0為溶液初始質量濃度(mg/L)，ρe為平衡后溶液中剩余苯酚的質量濃度(mg/L)，V為溶液體積(L)，m為吸附劑質量(g).

2 結果與討論

2.1 材料表征

TiO2-GO,TiO2,GO 3種材料的XRD譜如圖2所示. 由圖2可見， TiO2在2θ=25.2°出現了銳鈦礦型的(101)，(004)，(200)，(204)晶面， 在28°，50°～60°也出現了(211)的晶紅石界面， 表明TiO2的形態(tài)以銳鈦礦型為主， 含有少量的晶紅石型. GO在2θ=9.5°出現了較高的峰值[7]， 復合材料TiO2-GO中(101)的界面峰變寬， 同時(004)，(200)，(204)處的峰移動較小， 表明復合材料TiO2-GO中TiO2的銳鈦礦晶型結構未發(fā)生明顯變化.

圖1 TiO2-GO,TiO2,GO的紅外光譜

圖2 TiO2-GO,TiO2,GO的XRD譜

碳材料的有序和無序結構可通過Raman光譜表征. 石墨烯及其他類型碳材料的邊緣缺陷及卷曲或無序原子排列的Raman峰一般為1 350 cm-1附近的D峰， 在1 580 cm-1處出現的G峰由平面內振動所致. 石墨粉和GO的Raman譜如圖3所示. 由圖3可見， 石墨粉和GO中均有D峰和G峰出現. 石墨粉的D峰和G峰分別出現在1 317，1 580 cm-1處， GO的D峰和G峰分別出現在1 354，1 594 cm-1處. GO 比石墨粉的Raman譜中波數大， D峰和G峰變寬， 且D峰增強[11]. GO的ID/IG=0.96， 比值變大， 可能是由于石墨被氧化后引入羧基和羥基等官能團所致.

2.2 吸附性能

2.2.1 吸附時間的影響

圖4為3種吸附劑吸附量與吸附時間的關系. 由圖4可見， TiO2-GO在5 min中內吸附較快， 其最大吸附量為79.28 mg/g， 30 min時吸附逐漸達到飽和， 之后進入平衡階段， 隨著吸附時間的增加， 吸附量減小達到吸附平衡. 3種材料在30 min后均基本達到吸附平衡. 吸附主要發(fā)生在吸附材料的表面[12]， 材料表面的苯酚活性吸附點很快被苯酚占據.

圖3 石墨粉和GO的Raman譜

圖4 不同吸附劑吸附量與吸附時間的關系

2.2.2 溶液pH值的影響

圖5為不同pH值(2～9)下3種吸附劑對苯酚吸附量的影響. 由圖5可見， 復合材料TiO2-GO對苯酚的吸附量在pH=2～5時呈上升趨勢， pH=5～7時的吸附量變化較小， pH=7～8時的吸附量急劇下降， pH=8～9時的吸附量變化較小， 因此選擇最佳pH=5. GO對苯酚的吸附量在pH=2～9時呈下降趨勢， 最佳pH=2. TiO2對苯酚的吸附量在pH=2～8時總體呈下降趨勢， 當溶液pH值過低時， TiO2可能水解， 所以選擇最佳pH=2. pH值升高不利于苯酚吸附. 其原因為在酸性條件下材料的表面質子化， 使材料表面吸附苯酚的活性位點增加， 吸附量增加. 隨著pH值的升高， 苯酚溶液中電離出的酚氧基負離子增多， 酚氧基負離子和吸附材料上的羧基、 烷氧基等負離子產生電荷間靜電排斥力， 進而抑制了對苯酚的吸附力， 使吸附量降低[13].

2.2.3 吸附溶液質量濃度的影響

圖6為3種不同材料在不同質量濃度苯酚溶液中的吸附量. 由圖6可見， 3種材料的吸附量均隨苯酚初始溶液質量濃度的增大(100～400 mg/L)而增大. 當ρ(TiO2)=ρ(TiO2-GO)=400 mg/L時， 其吸附量達到最大值， 而GO的吸附量呈不斷增加趨勢. 原因為隨著苯酚質量濃度的增大， 苯酚溶液中吸附劑上的活性點被占據， 從而吸附量不斷增加， 當溶液質量濃度大于400 mg/L時， 吸附劑上的活性點位達到限值， 此時吸附達到飽和[14].

圖5 溶液pH值對吸附量的影響

圖6 溶液質量濃度ρ與吸附量Q的關系

2.2.4 動力學模擬

吸附材料對苯酚溶液吸附的速率可用動力學數據模型進行模擬， 進而推斷吸附材料對苯酚的吸附機理. 目前主要有準一級動力學、 準二級動力學、 顆粒內擴散等數學模擬模型, 其表達式分別為

ln(Qe-Qt)=lnQe-K1t，

(1)

(2)

將3種材料對苯酚的吸附分別用準一級動力學和準二級動力學進行模擬， 計算得到的動力學參數分別列于表1～表3.

表1 不同溫度下TiO2-GO吸附苯酚的動力學參數

表2 不同溫度下TiO2吸附苯酚的動力學參數

由表1～表3可見， 3種吸附材料準二級模擬的Qe，cal與實驗值Qe，exp更接近(R2值更接近1)， 即準二級動力學方程更符合3種材料不同溫度下的吸附動力學. 表明這3種吸附劑材料的表面活性位點影響了吸附劑對苯酚的吸附量， 吸附劑和苯酚間的吸附是主要的控制步驟[15].

表3 不同溫度下GO吸附苯酚的動力學參數

2.2.5 熱力學模擬

溫度是影響物質吸附量的一個重要因素， 圖7為TiO2-GO,GO,TiO2在不同溫度下對苯酚的吸附量. 由圖7可見， 在323 K時， TiO2-GO和TiO2的吸附量較大， 可能是溫度較高， 苯酚均有少量揮發(fā)所致. 此外， 在288，298，308 K時， 隨著溫度的升高， 吸附量呈下降趨勢， 可見該吸附為放熱過程. 其原因可能是隨著溫度的升高， 苯酚獲得較高的能量， 從而擴散能力增強， 導致解析速度變大[16].

圖7 TiO2-GO,GO,TiO2在不同溫度下的吸附曲線

在288 K時, 溶液中苯酚的平衡質量濃度(ρe)與對應的吸附量Qe關系曲線可用Langmuir和Freundlich 方程的吸附等溫線[17-18]表示：

(3)

(4)

其中式(3)為Langmuir方程， 式(4)為Freundlich方程，Qm為吸附劑的單層最大吸附容量，KL為 Langmuir 吸附常數(dm3/mg)， 表示吸附自由能.

在288 K下， TiO2-GO和GO吸附苯酚的等溫方程參數列于表4. 由表4可見， 二者對苯酚的吸附過程均符合Langmuir和 Freundlich模型， 其中Langmuir模型的理論模擬計算值與實驗值更接近， 其R2值分別為0.969 9，0.985 0， 表明材料對苯酚的吸附可用單層和多層吸附模型解釋[19].

表4 TiO2-GO和GO吸附苯酚的等溫方程參數

綜上所述， 本文以GO和TiO2為原料, 采用超聲法合成了復合材料TiO2-GO， 并研究了該復合材料對苯酚溶液的吸附行為， 為研究TiO2作為光催化劑光催化降解苯酚的過程提供一定的理論依據， 可得如下結論:

1) TiO2-GO,GO,TiO23種材料均在短時間內對苯酚具有一定的吸附去除效果;

2) 3種材料的吸附主要是為快速吸附， 吸附動力學更符合準二級動力學方程；

3) Langmuir模型可更好地模擬3種材料對苯酚的吸附熱力學， 吸附量隨溫度的升高而增加.