收藏本站
《湖南大学》 2016年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

氧化石墨烯及其功能化改性材料富集水中重金属离子机理研究

王慧  
【摘要】:近年来,随着经济和工业的快速发展,环境问题也变的日益严重,尤其是重金属污染引起了人们的广泛关注。重金属难以分解,且易在生物体内富集,对生物体及人类具有很大的危害。因此,选择合适的方法有效处理重金属废水,对生态环境的保护及人类健康的保障具有重要的实际意义。吸附法是一种能快速而有效去除水体中污染物的方法,在重金属废水处理中有较好的应用前景。而吸附剂的选择是吸附处理效果好坏的关键。氧化石墨烯作为一种新型材料,具有二维单原子层结构、丰富的表面活性基团以及巨大的比表面积,引起了广泛关注。但氧化石墨烯亲水性高,所以存在固液分离困难的问题。此外,实际的废水中通常还共存一些其他背景电解质离子以及有机物等,它们也会对吸附过程产生影响。所以,研究这些共存背景电解质以及有机物对吸附过程的影响机理具有重要的实际意义。本论文主要是基于氧化石墨烯这种新型吸附材料,对其进行功能化改性制备衍生材料。探讨氧化石墨烯及其衍生材料对废水中重金属离子的富集机理。本文的具体研究工作及成果可以归纳为以下五个方面:(1)以氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作为吸附剂去除废水中的铜离子,吸附完成后通过滤膜过滤法将氧化石墨烯的分离。通过环境扫描电镜(SEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、拉曼光谱仪(Raman)和热重分析仪(TG-DTA)等技术表征氧化石墨烯的形貌、结构和成分。考察了溶液p H值、离子强度、有机酸、反应时间、铜离子初始浓度等对氧化石墨烯吸附铜离子过程的影响。并通过动力学模型和等温线模型对吸附数据进行拟合分析。研究结果表明,溶液p H值、离子强度、有机酸和铜离子初始浓度对吸附过程均有较大的影响。吸附动力学数据符合准二级动力学模型,化学吸附是整个吸附过程的限制步骤。吸附过程中同时包括膜扩散和颗粒内扩散,而颗粒内扩散并不是整个过程唯一的速率控制步骤。等温吸附数据更加符合Langmuir模型,说明铜离子在氧化石墨烯表面形成单分子层吸附层,且最大吸附量为50.95 mg/g。但将氧化石墨烯直接作为吸附剂使用还存在固液分离困难的问题。(2)以氧化石墨烯为基体,通过共沉淀法将四氧化三铁磁性纳米离子负载到其表面,制备磁性氧化石墨烯复合材料(Magnetic graphene oxide,MGO),提高其固液分离能力。利用SEM、EDS、XRD、FT-IR、拉曼光谱以及XPS等仪器对制备的材料进行表征,并研究其对水体中镉离子的吸附特性。研究结果表明,四氧化三铁磁性纳米粒子被成功地负载在氧化石墨烯表面。p H增加能促进镉离子的吸附。准二级动力学模型比准一级动力学和Elovich动力学模型更加适合于描述吸附动力学数据。温度升高能够促进镉离子的吸附。吸附等温线研究数据符合freundlich模型,表明镉离子的吸附过程以物理吸附为主。利用部分因子实验设计研究了5种因素对镉离子吸附过程的主效应和交互效应,结果表明影响因素a(ph)对吸附过程的影响最显著,而交互作用ce(时间×nacl)和bc(温度×时间)对吸附过程的影响最大。(3)研究磁性氧化石墨烯对废水中的六价铬的吸附性能。考察了溶液ph值、反应时间、温度等对吸附过程的影响,并通过动力学、等温线以及热力学模型等对实验数据进行拟合分析,探讨吸附机理。研究结果表明,低ph条件有利于磁性氧化石墨烯吸附六价铬,因为在低ph环境中,带正电的磁性氧化石墨烯更易通过静电作用吸引带负电荷的cr(vi)离子(hcro4-)。准二级和elovich动力学模型能较好拟合动力学数据。吸附等温线数据符合langmuir模型,六价铬离子被单层吸附在磁性氧化石墨烯的表面,且起主要作用的是化学吸附。langmuir模型拟合出的三个温度下(15℃、30℃和45℃)的最大吸附量分别为13.48mg/g、29.47mg/g和34.97mg/g。热力学参数表明磁性氧化石墨烯对六价铬的吸附是自发过程。利用响应面法(rsm)研究了ph值、六价铬初始浓度以及温度等三个操作参数对六价铬吸附过程的影响。研究结果表明,在最适合条件下(ph值为2.07,六价铬初始浓度为24.29mg/l,温度为44.78℃),六价铬离子最大吸附量为38.62mg/g。(4)将β-环糊精嫁接到磁性氧化石墨烯表面制备了一种新型的磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料(mgo/β-cd),并作为吸附剂用于处理废水中的六价铬离子。研究了外界环境条件ph、温度、六价铬初始浓度、时间、苯胺等对磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料吸附六价铬的影响,并利用吸附动力学、吸附等温线以及热力学模型等对吸附数据进行拟合。结果表明:磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料对六价铬具有很好的吸附效果,准二级动力学模型和langmuir模型很好的解释了吸附数据;颗粒内扩散模型拟合结果可以看出内扩散不是吸附过程唯一的限速步骤;热力学参数表明吸附过程是一个吸热和自发的过程,所以温度升高促进吸附反应的发生;磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料吸附六价铬过程受到溶液ph值以及离子强度的影响;当苯胺存在于反应系统时,低ph值会促进六价铬吸附,而高ph值反而有抑制效应。以上结果对促进磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料在重金属废水处理过程中的应用具有重要的意义。(5)在吸附法去除废水中重金属离子过程中,研究外界环境影响因子对吸附的影响机理具有重要的意义。分别研究了溶液ph值、离子强度、背景电解质、柠檬酸等对磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料吸附铜离子的影响特性,结果表明,铜离子的吸附量较大依赖于溶液的ph,且柠檬酸、背景电解质以及离子强度等对吸附过程影响较大。在ph8时,随nano3浓度从0m增加到0.1m,铜离子的吸附量也逐渐增加。溶液中lino3、nano3、kno3、nacl和naclo4等背景电解质的存在对吸附过程影响不显著。柠檬酸会促进磁性氧化石墨烯/β-环糊精复合材料对铜离子的吸附过程。吸附动力学数据遵循准二级动力学模型,膜扩散是主要的速度控制步骤。Freundlich和Temkin等温模型对吸附等温数据有很好的拟合度。以上研究结果对含铜废水的有效处理及铜污染水体的高效修复具有重要的意义。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X703

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;科学家首次用纳米管制造出石墨烯带[J];电子元件与材料;2009年06期
2 ;石墨烯研究取得系列进展[J];高科技与产业化;2009年06期
3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期
4 ;日本开发出在蓝宝石底板上制备石墨烯的技术[J];硅酸盐通报;2009年04期
5 马圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究进展[J];现代物理知识;2009年04期
6 傅强;包信和;;石墨烯的化学研究进展[J];科学通报;2009年18期
7 ;纳米中心石墨烯相变研究取得新进展[J];电子元件与材料;2009年10期
8 徐秀娟;秦金贵;李振;;石墨烯研究进展[J];化学进展;2009年12期
9 张伟娜;何伟;张新荔;;石墨烯的制备方法及其应用特性[J];化工新型材料;2010年S1期
10 万勇;马廷灿;冯瑞华;黄健;潘懿;;石墨烯国际发展态势分析[J];科学观察;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 成会明;;石墨烯的制备与应用探索[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 钱文;郝瑞;侯仰龙;;液相剥离制备高质量石墨烯及其功能化[A];中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C];2010年
3 张甲;胡平安;王振龙;李乐;;石墨烯制备技术与应用研究的最新进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
4 赵东林;白利忠;谢卫刚;沈曾民;;石墨烯的制备及其微波吸收性能研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
5 沈志刚;李金芝;易敏;;射流空化方法制备石墨烯研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
6 王冕;钱林茂;;石墨烯的微观摩擦行为研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
7 赵福刚;李维实;;树枝状结构功能化石墨烯[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
8 吴孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
9 周震;;后石墨烯和无机石墨烯材料:计算与实验的结合[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
10 周琳;周璐珊;李波;吴迪;彭海琳;刘忠范;;石墨烯光化学修饰及尺寸效应研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 姚耀;石墨烯研究取得系列进展[N];中国化工报;2009年
2 刘霞;韩用石墨烯制造出柔性透明触摸屏[N];科技日报;2010年
3 记者 王艳红;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新华每日电讯;2010年
4 本报记者 李好宇 张芃捷(实习) 特约记者 李季;石墨烯未来应用的十大猜想[N];电脑报;2010年
5 证券时报记者 向南;石墨烯贵过黄金15倍 生产不易炒作先行[N];证券时报;2010年
6 本报特约撰稿 吴康迪;石墨烯 何以结缘诺贝尔奖[N];计算机世界;2010年
7 记者 谢荣 通讯员 夏永祥 陈海泉 张光杰;石墨烯在泰实现产业化[N];泰州日报;2010年
8 本报记者 纪爱玲;石墨烯:市场未启 炒作先行[N];中国高新技术产业导报;2011年
9 周科竞;再说石墨烯的是与非[N];北京商报;2011年
10 王小龙;新型石墨烯材料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 吕敏;双层石墨烯的电和磁响应[D];中国科学技术大学;2011年
2 罗大超;化学修饰石墨烯的分离与评价[D];北京化工大学;2011年
3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修饰[D];北京化工大学;2012年
4 王崇;石墨烯中缺陷修复机理的理论研究[D];吉林大学;2013年
5 盛凯旋;石墨烯组装体的制备及其电化学应用研究[D];清华大学;2013年
6 姜丽丽;石墨烯及其复合薄膜在电极材料中的研究[D];西南交通大学;2015年
7 姚成立;多级结构石墨烯/无机非金属复合材料的仿生合成及机理研究[D];安徽大学;2015年
8 伊丁;石墨烯吸附与自旋极化的第一性原理研究[D];山东大学;2015年
9 梁巍;基于石墨烯的氧还原电催化剂的理论计算研究[D];武汉大学;2014年
10 王义;石墨烯的模板导向制备及在电化学储能和肿瘤靶向诊疗方面的应用[D];复旦大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 詹晓伟;碳化硅外延石墨烯以及分子动力学模拟研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 王晨;石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响[D];北京化工大学;2011年
3 苗伟;石墨烯制备及其缺陷研究[D];西北大学;2011年
4 蔡宇凯;一种新型结构的石墨烯纳米器件的研究[D];南京邮电大学;2012年
5 金丽玲;功能化石墨烯的酶学效应研究[D];苏州大学;2012年
6 黄凌燕;石墨烯拉伸性能与尺度效应的研究[D];华南理工大学;2012年
7 刘汝盟;石墨烯热振动分析[D];南京航空航天大学;2012年
8 雷军;碳化硅上石墨烯的制备与表征[D];西安电子科技大学;2012年
9 于金海;石墨烯的非共价功能化修饰及载药系统研究[D];青岛科技大学;2012年
10 李晶;高分散性石墨烯的制备[D];上海交通大学;2013年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026