功能化氧化石墨烯的制备及其吸附性能研究

【摘要】：氧化石墨烯(GO)是一种新型二维碳纳米材料,它含有大量的含氧官能团和离域π电子,这些独特的结构使GO对重金属和有机物具有较强的吸附能力,并且在酸碱溶液中表现出较高的稳定性,被认为是一种超级吸附材料。然而,在吸附过程中由于GO静电排斥力减弱,容易团聚,引起比表面积下降,从而导致吸附性能降低;另外,GO尺寸较小,难以回收循环再生利用,极大地限制了在吸附领域中的应用。因此,对GO进行功能化修饰以提高吸附性能和循环再生能力显得十分重要。目前,对GO功能化修饰合成复合材料的研究仍处于发展阶段,在合成过程中仍有许多亟需解决的问题:比如,合成过程复杂;使用大量的有机溶剂和有毒物质;共价键修饰的GO吸附容量不高等等。为此,本论文以GO为基材,通过简单、环保的自组装方法制备了具有高效吸附性能的GO基复合重金属吸附材料;另外,通过共价键作用将超分子β-环糊精(β-CD)修饰在GO表面以提高对有机物的吸附能力。主要研究内容和结果如下:(1)利用诱导定向流方法制备了GO膜,通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman等手段分析GO膜的形态结构。结果表明GO膜为高度有序的层状膜,层间距大于GO。通过批式吸附实验考察了pH、离子强度、接触时间和金属离子浓度对GO膜吸附Cu2+、Cd2+和Ni2+的影响及其再生性能。结果表明GO膜对三种金属离子的吸附受pH影响较大,而受离子强度影响较小。GO膜对Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附等温线符合Langmuir模型,最大吸附容量分别为72.6 mg/g,83.8 mg/g和62.3mg/g。大约15min达到吸附平衡,吸附过程遵循二级动力学模型。GO膜拥有优异的再生性能,经过六次吸附/解吸循环后,对Cu2+、Cd2+和Ni2+的吸附容量仅下降10%,12%和21%。(2)在GO膜对溶液中单组份金属离子吸附的基础上,进一步探讨了GO膜对溶液中多组份金属离子的竞争吸附行为和机理。结果表明在含有Cu2+的多元系统中,GO膜对Cu2+的吸附表现出较强的选择性。在二元溶液中的吸附顺序为Cu2+Ni2+Cd2+,而在三元溶液中的吸附顺序则为Cu2+Cd2+Ni2+。起初吸附的金属离子可能会被后来吸附的金属离子取代。GO膜对重金属离子吸附亲和力的大小主要由金属离子之间的硬酸硬碱软酸软碱差异决定,并以此引发金属离子在GO膜上的相互取代。(3)通过静电纺丝技术制备了聚乙烯醇/氧化石墨烯(PVA/GO)纳米纤维,并用于对Cu2+和Cd2+的吸附。利用SEM、TEM、FTIR、Raman、XRD等表征了PVA/GO纳米纤维的形貌结构。结果表明PVA/GO纳米纤维表面含有丰富的含氧基团,且纤维连续、表面光滑、无串珠。GO能够均匀分散在PVA纳米纤维中,负载量可达20wt%,且能够包覆在纳米纤维表面。通过批式吸附实验考察了pH、离子强度、温度、接触时间和金属离子浓度对吸附性能的影响。结果表明PVA/GO纳米纤维对Cu2+和Cd2+的吸附等温线符合Langmuir模型,吸附主要由PVA/GO纳米纤维上的羰基和羧基以及GO上离域π电子起主要作用。大约25min达到吸附平衡,吸附过程遵循二级动力学模型。经过八次吸附解吸后,PVA/GO纳米纤维对Cu2+和Cd2+的吸附能力仅下降15.5%和13.8%。(4)采用两步反应法合成GO-β-CD,利用FT-IR和XPS确定了β-CD被成功修饰到GO表面。通过批式吸附实验考察了GO-β-CD对模型有机分子Php的吸附性能。结果表明离子强度基本不会影响GO-β-CD对Php的吸附容量。GO-β-CD对Php的吸附是一个较快的过程,大约20min达到吸附平衡,吸附过程遵循二级动力学模型。吸附等温线符合Langmuir模型,在298,308,318K时的最大吸附容量分别为94.6,72.3和65.8 mg/g。吸附机理包括包合作用、π-π作用和氢键作用。经六次吸附/解吸后,GO-β-CD对Php仍保持较高的吸附容量。