氧化石墨的制备及其对活性红X-3B吸附行为的研究

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本论文通过将反应体系转变为不添加硝酸钠的纯浓硫酸体系和延长中温反应时间,来改进 Hummers 法制备氧化石墨,并借此研究了制备的最佳工艺条件和石墨的转化机理;将石墨和所制备出的氧化石墨利用傅里叶红外光谱图进行了表征;研究了氧化石墨对活性红X-3B 的吸附动力学和吸附热力学,推测了氧化石墨对活性红 X-3B的吸附机理;研究了吸附饱和的氧化石墨的氧化再生和热再生行为,探究其再生性能。
  在研究不同过氧化氢量、高锰酸钾量以及高温阶段的去离子水加入量对氧化石墨吸附活性红X-3B效果的影响的基础上,确定氧化石墨制备的最佳条件为:在固定石墨粉投入量为2 g,浓硫酸的添加量为50 mL的情况下,高锰酸钾的添加量为5 g,高温阶段加入去离子水量为45 mL,高温阶段反应后不加入过氧化氢。通过接触角仪测试,发现氧化石墨的亲水性较石墨而言得到了明显的改善,推测与所引入的大量极性官能团有关。通过对石墨和氧化石墨的傅里叶变换红外光谱的比较,发现石墨经氧化后,结构层中的碳原子会与诸如羰基、羧基等含氧官能团键合,并同时引入大量含氧官能团。
  氧化石墨对活性红X-3B的静态吸附实验表明,氧化石墨具有很好的吸附能力,对活性红X-3B具有很好的去除效果。通过对氧化石墨投加量、初始pH、染料的起始浓度的调整,氧化石墨对活性红X-3B的去除均可达到很好的效果。伪二级动力学模型能较好地描述活性红X-3B 在氧化石墨上的吸附动力学行为,以此推测对于活性红 X-3B而言,颗粒内扩散并不是主要的速率控制步骤,吸附速率可能主要取决于化学反应或通过吸附剂与吸附质之间的电子交换或电子共享的化学吸附过程。氧化石墨对活性红 X-3B 的吸附规律符合 Langmuir等温方程,推测吸附反应为单分子层吸附。氧化石墨对活性红 X-3B的吸附是一个吸热过程,因此升高反应温度会更有利于吸附的进行,氧化石墨对活性红X-3B的吸附过程是伴随着吸附熵的增加且能自发进行的。
  高锰酸钾或过氧化氢对吸附饱和的氧化石墨的氧化再生效果不理想,而当n[Fe2+]:n[H2O2]=1:20时,氧化石墨的再生率和对活性红X-3B的去除率分别达到了91.6%和83.9%。研究了热再生吸附循环次数对氧化石墨再生率及其对活性红X-3B去除率的影响,发现经历5次吸附饱和-再生循环后,氧化石墨的再生率和活性红X-3B的去除率仍然高达89.1%和88.7%,说明氧化石墨具有较好的重复利用性。
  研究结果表明,通过上述的方法改进 Hummers 法,不仅能保证氧化石墨的氧化程度,还能较好地提高制备过程中的安全性,氧化石墨作为一种高效、安全、经济的吸附材料,为含活性染料的废水的处理提供了新途径。
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