负载氧化锌膨胀石墨的制备及其染料的脱色性能研究

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近年来,印染等相关行业排放的染料废水逐渐增多,其造成了严重的水体污染。处理这一污染有很多方法,如:物理方法,生物降解法和化学法。其中以物理法中的吸附法及化学法中的高级氧化技术(AOPs)最为常见。而单独的一种方法在处理废水时的效果不太理想,因此提高其处理效率是至关重要的。膨胀石墨(EG)具有良好的吸附性能,ZnO是一种优异的光催化剂,而超声法对污水的处理也具有一定的效率。本文分别将ZnO的光催化作用、超声降解作用与EG结合在一起来考察其对废水中染料的去处效果。本文主要完成了以下四部分工作:1.以石墨(C,50目)为原料;KMnO4为氧化剂;H2SO4作为插层剂;Zn(OAc)2为辅助插层剂,确定了一种负载ZnO膨胀石墨(ZnO/EG)的制备方法。单因素实验确定制备ZnO/EG的适宜实验条件为:C:H2SO4:KMn O4:Zn(OAc)2=1:5.0:0.28:0.4(质量比),反应前质量浓度为98%的H2SO4需稀释至80%,石墨氧化层反应在40℃下进行40min。当膨胀温度为800℃时,所得ZnO/EG产品的最大膨胀容积(EV)可达617 m L/g。采用X射线衍射(XRD)、红外分析(FTIR)、扫描电镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)和比表面积及孔径、孔容积测定等技术手段对石墨插层产物进行了表征。结果表明,Zn(OAc)2插到了石墨层间制得了负载Zn(OAc)2可膨胀石墨,ZnO/EG中ZnO存在形式为六方晶系纤锌矿结构。2.考察了单一H2SO4插层所得普通膨胀石墨(EG1)及ZnO/EG对以亚甲基蓝(MB)为代表的吸附质的脱色性能。针对负载Zn(OAc)2可膨胀石墨的焙烧温度,溶液中吸附质浓度,离子强度,p H对ZnO/EG的脱色性能的影响进行了讨论。相比于EG1,ZnO/EG的吸附脱色及紫外光照下的总脱色能力均明显增强。动力学研究表明MB在ZnO/EG上的脱色过程可用准二级动力学模型来描述,热力学研究表明MB在ZnO/EG上的脱色属于Ⅰ型,Langmuir模型可较准确模拟ZnO/EG对MB的脱色热力学数据。平衡脱色量随吸附质浓度、离子强度的增加而增加,焙烧温度为800℃时平衡脱色量达到最大,p H对其影响不是很大。光催化脱色率随吸附质浓度的增加而增大,而随离子强度、焙烧温度的增大而减小,随pH的增大先增大后减小。ZnO/EG对MB的紫外光催化动力学研究表明:ZnO/EG对MB的脱色过程可很好的符合Langmuir-Hinshelwood一级动力学方程。MB在膨胀石墨上的吸附属于Ⅰ型,Langmuir模型可较准确地模拟ZnO/EG对MB的脱色热力学数据;而准二级模型更能相对准确地描述ZnO/EG对MB吸附动力学特点。3.利用化学氧化法,以H2SO4为插层剂制备了普通可膨胀石墨;通过浸渍Zn(OAc)2及焙烧制备了一系列ZnO/EG,并对浸渍顺序及焙烧温度进行了优化。实验结果表明:以新制得经过水洗的可膨胀石墨及Zn(OAc)2为原料,经抽滤、干燥、800℃下焙烧30s、450℃下焙烧3h所得到的(ZnO/EG)5吸附脱色及光催化脱色性能均较好。SEM,FTIR,XRD证实了经过高温处理后,Zn(OAc)2转变为ZnO,其属于六方晶系。相对于单一H2SO4插层可膨胀石墨经800℃下焙烧10s所得EG,以及可膨胀石墨经浸渍Zn(OAc)2然后800℃下焙烧30s、450℃下焙烧3h所得到的(ZnO/EG)5。化学氧化法所得ZnO/EG对MB的脱色性能最佳。(4)考察了以H2SO4为插层剂制备的普通膨胀石墨(EG)与超声技术联合对MB模拟废水的脱色性能,优化了超声条件。实验结果表明:25℃,200W为超声降解最佳条件为;超声-EG吸附联合技术具有协同作用,可以提高脱色效果。对某皮革厂染料废水的处理结果表明,以ZnO/EG在紫外光照/吸附条件下处理效果最为明显。一次处理可使废水溶液的化学需氧量(COD)由5078.32mg/L降至3100mg/L。
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