磁性氧化石墨烯复合材料的制备及吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)研究

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氧化石墨烯(GO)含有丰富的官能团如羟基、羧基和环氧基等,且比表面积大,能提供大量的吸附位点,在吸附水体中各种污染物领域有巨大潜力。但因氧化石墨烯在吸附后难以从水中分离限制其在环保领域的应用。本研究利用水热法制备出磁性氧化石墨烯(CFGO)和磁性壳聚糖/氧化石墨烯(MCGO)两种吸附材料用于研究水中污染物Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的去除。1.CFGO对Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的吸附通过低温水热法制备磁性氧化石墨烯,最优制备条件为:1 g CoFe2O4(CF)加70 mg GO,85℃水热反应12 h。采用漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFT)、X-射线衍射分析(XRD)和X-射线电子能谱分析(XPS),结果表明已经将GO负载到CF上,水热反应过程中并没有破坏CF的晶体结构,CFGO表面含有-OH和-COOH等大量官能团。研究投加量、pH值、时间和温度等因素对CFGO吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)过程的影响。结果表明溶液初始pH值对CFGO吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)影响显著;而共存阴阳离子和离子强度对吸附过程呈抑制作用;吸附时间的增加和温度的升高均有利于Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的去除。用动力学和等温线模型对CFGO吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)数据进行非线性拟合,结果表明:准二级动力学模型能够更准确的描述CFGO吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的过程。CFGO吸附Cr(Ⅵ)过程符合Langmuir等温模型,吸附Hg(Ⅱ)过程更符合Freundlich等温模型。CFGO吸附Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的热力学参数表明:两个吸附过程均是自发的、吸热且熵增的过程。CFGO对Cr(Ⅵ)和Hg(Ⅱ)的最大吸附量分别为19.17 mg/g和15.07 mg/g。根据吸附前后漫反射、XPS等表征结果,初步推测:主要是在强酸性条件下,Cr(Ⅵ)和质子化官能团产生静电吸引作用。而Hg(Ⅱ)在弱酸条件下与电离的等含氧官能团(-COO-和-O-)产生静电吸引作用。2.MCGO对Cr(Ⅵ)的吸附通过水热法制备磁性壳聚糖/氧化石墨烯吸附材料,采用DRIFT、XRD和XPS方法对MCGO进行表征分析。结果表明吸附材料中出现C、O和N元素,说明已经将CS和GO负载到CF上。研究投加量、pH值和时间等因素对MCGO吸附Cr(Ⅵ)过程的影响。结果表明溶液初始pH值较小有利于MCGO吸附Cr(Ⅵ)。主要是HCrO4-和Cr2O72-与MCGO表面质子化的官能团-COOH2+和-OH2+产生静电吸引和与-NH2之间的络合作用。时间的增加和温度的升高,有利于MCGO对Cr(Ⅵ)的去除。共存阴阳离子总体上抑制MCGO对Cr(Ⅵ)吸附的进行,因为阳离子与质子化的-COOH2+和-OH2+静电排斥,阴离子与HCrO4-、Cr2O72-竞争MCGO表面的吸附位点。随着离子强度增加,静电吸引作用减弱,所以不利于吸附。用动力学和等温线模型对MCGO吸附Cr(Ⅵ)数据进行非线性拟合,结果表明:MCGO吸附Cr(Ⅵ)的试验数据与Elovich动力学模型更加符合,相关系数R2:0.82700.9565,表明反应过程是化学吸附过程。MCGO吸附Cr(Ⅵ)数据更符合Langmuir等温模型,相关系数R2>0.9,且属于优惠吸附。根据等温数据计算得来的热力学参数,MCGO吸附Cr(Ⅵ)的过程自发的、吸热且熵增的过程。MCGO对Cr(Ⅵ)的最大吸附量为114.38 mg/g,比CFGO提高很多。根据吸附前后漫反射、XPS等结果,对MCGO吸附Cr(Ⅵ)吸附机理进行推测:除质子化形成的-COOH2+和-OH2+与Cr(Ⅵ)之间的静电吸引外,还包括-NH2与Cr(Ⅵ)的络合作用。
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