氨基改性磁性氧化石墨烯的制备及其对重金属离子的吸附研究

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随着城市化和工业的迅速发展,大量的重金属通过工业废水排放或日用品的方式进入自然环境中。由于处理不当而造成了一系列水体重金属污染问题。在处理水体重金属污染的各种方法中,由于吸附法具有操作简单、吸附容量大和吸附剂可再生等优点,是目前最常用的方法。氧化石墨烯(GO)是一种具有高比表面积的片层碳材料,拥有大量含氧官能团,可作为重金属离子的吸附剂。但氧化石墨烯在吸附重金属离子后存在分离难和再生性较差的缺点,因此需要对其进行进一步改性。氧化石墨烯磁性化可有效解决这一问题,但磁性化后吸附容量会显著降低,需要进一步改性以提高吸附性能。由于带孤对电子的官能团对重金属离子有较强的的络合能力,因此可以通过掺杂或共价接枝向氧化石墨烯材料中引入N、S、O等元素来提高吸附性能。虽然目前已有许多关于改性氧化石墨烯复合吸附剂的研究,但关于对重金属离子具有较强选择性吸附的改性研究仍然较少。本文以氧化石墨烯为原料,首先与四氧化三铁磁性纳米粒子复合,然后进行氨基接枝改性,制备出对重金属离子具有一定吸附选择性的磁性氧化石墨烯复合材料吸附剂。使用傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)等表征方法对吸附剂进行了一系列结构和形态表征。并且对吸附剂进行了吸附选择性、吸附动力学、等温吸附和吸附热力学的研究,同时研究了溶液p H、温度和吸附剂用量对吸附剂吸附重金属离子的影响。具体结果如下:(1)氨基硫脲接枝磁性氧化石墨烯吸附剂的制备及其对Hg2+和Zn2+的吸附研究使用氧化石墨烯作为原料,首先与四氧化三铁进行复合,然后再与氨基硫脲(TSC)进行接枝反应,成功制备了氨基硫脲改性磁性氧化石墨烯吸附剂(TSC/MGO)。通过红外光谱(FT-IR)证明了目标吸附剂的成功合成。扫描电镜分析(SEM)表明,吸附剂表面有许多颗粒物,并呈不规则的片层结构。吸附研究表明,吸附剂对Hg2+和Zn2+具有吸附选择性,最大吸附量分别为243.8 mg g-1和58.9 mg g-1,最佳吸附p H为6。其中,对Hg2+的吸附为化学吸附过程,对Zn2+的吸附为物理吸附过程。吸附Hg2+和Zn2+都是自发的。经五次吸附-脱附循环后,吸附容量仍可达到第1次吸附容量的78%以上,表明吸附剂具有再生性。(2)四乙烯五胺接枝磁性氧化石墨烯吸附剂的制备及其对Pb2+吸附性能的研究使用氧化石墨烯作为原料,首先与四氧化三铁进行复合,再与四乙烯五胺(TEPA)进行接枝反应,制备了四乙烯五胺接枝磁性氧化石墨烯吸附剂(TEPA/MGO)。红外光谱(FT-IR)分析表明,实验成功制备了目标产物。扫描电镜分析(SEM)表明,吸附剂表面呈现褶皱、疏松多孔的结构,且分布有许多不规则颗粒。吸附实验研究结果表明,吸附剂对Pb2+吸附具有吸附选择性,且最大吸附量为287.6 mg g-1。最佳吸附p H为6,吸附为吸热的自发化学过程。吸附剂经五次吸附-脱附循环后吸附容量仍可达到第1次的80%以上,表明吸附剂具有再生性。上述研究结果表明,制备的两种氨基改性磁性氧化石墨烯吸附剂在水溶液中分别对汞离子或锌离子和铅离子具有附选择性。吸附容量比未改性的磁性氧化石墨烯吸附剂高,同时可进行磁分离,能通过EDTA溶液再生。因此,上述吸附剂具有较高的吸附容量、较强的吸附选择性,易分离并且再生性能好,有望用于处理含Hg2+或Zn2+,Pb2+的废水。
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