氨基修饰氧化石墨烯-磁性MnFe2O4三元吸附剂的制备及其对Pb(Ⅱ)的吸附研究

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随着工业化和城市化的迅速发展,重金属容易暴露在环境中,即使极少量的重金属含量也会对环境和公共健康造成威胁。因此,人们一直致力于寻找一种简单有效的方法去除废水中的重金属。吸附法由于其易操作性、高效性和低成本等优点被认为是最广泛使用和经济可行的方法之一。而氧化石墨烯(GO)作为碳纳米材料的新成员,具有优异的理化性质、高比表面积和丰富的羧基、羟基、环氧基等含氧官能团,且这些含氧官能团可进一步和其他材料反应达到改善其自身性质的目的,在处理废水中重金属方面具有广阔的应用前景。然而,由于GO的亲水性强,传统的离心和过滤方法难以将其从水溶液中分离出来,可能造成二次污染。此外,磁性氧化石墨烯复合材料虽使GO具有可磁性分离特性,但由于磁性氧化石墨烯合成过程中GO大部分被还原,吸附效果大大降低,影响其工业应用。基于此,本论文采用改进的Hummers法制备GO,再通过水热法将纳米磁性铁锰氧体MnFe2O4与GO复合,赋予GO磁性,并用四亚乙基五胺(TEPA)对其接枝改性以提高对重金属离子的吸附能力,制备三元复合纳米材料TEPA-GO/MnFe2O4,研究其对水溶液中铅Pb(II)的吸附作用。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射衍(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、Zeta电位、磁滞回线、布鲁诺-埃麦特-泰勒(BET)比表面积和X射线光电子能谱(XPS)对所制备样品的形貌、结构和性能进行了表征分析。系统研究了溶液pH值、Pb(II)的初始浓度、温度以及吸附时间对吸附效果的影响,并对吸附过程进行了吸附动力学和吸附等温线的研究。此外,探讨吸附过程的机理以及吸附剂材料的循环利用性。研究结果发现,SEM和TEM图显示GO为层状结构,同时发现纳米级MnFe2O4微球成功负载在GO表面上。FTIR和XPS进一步证明TEPA的氨基与GO上的羧基发生反应形成酰胺键,成功制备了TEPA-GO/MnFe2O4。该材料呈现出超顺磁性行为以及对Pb(II)的高吸附能力。后续研究发现TEPA-GO/MnFe2O4对Pb(II)的吸附受溶液初始pH的影响很大,最佳吸附pH为5.5。在最佳pH条件下,TEPA-GO/MnFe2O4对Pb(II)的最大吸附容量为263.2 mg·g-1,远高于GO/MnFe2O4(133.3 mg·g-1)和GO(196.1 mg·g-1)的吸附容量。TEPA-GO/MnFe2O4对Pb(II)的吸附能力显著增加是由于TEPA的功能化修饰使TEPA-GO/MnFe2O4的比表面积和孔隙率增大以及大量氨基的引入增加了吸附位点。TEPA-GO/MnFe2O4对Pb(II)的吸附符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型。热力学研究表明TEPA-GO/MnFe2O4对Pb(II)的吸附能力随温度的升高而增加,说明吸附反应是一个放热、自发的过程。解吸循环利用实验表明,吸附饱和的TEPA-GO/MnFe2O4可以通过0.2 M的HCl洗涤解吸之后重复利用,经过四次循环利用之后,其吸附效果仍保持原有值的79%。以上研究表明TEPA-GO/MnFe2O4对废水中Pb(II)重金属离子的去除具有较好的效果同时具备可循环利用性,为此类材料的研究应用奠定了基础。
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