氧化石墨烯對(duì)結(jié)晶紫的吸附性能研究

1、專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院 ： 化工與制藥學(xué)院 班 級(jí) ： 精細(xì)化工1202班 姓 名 ： 胡 建 雄 學(xué) 號(hào) ： 121408030309 指導(dǎo)老師 ： 劉 翠 云 氧化石墨烯對(duì)結(jié)晶紫的吸附性能研究精細(xì)化工1202班 胡建雄1.前言：隨著中國(guó)染料工業(yè)迅速發(fā)展，染料應(yīng)用領(lǐng)域大大拓寬，不僅用于裝點(diǎn)服飾、美化生活和環(huán)境，也已經(jīng)成為化學(xué)工業(yè)的一個(gè)重要分支。染料大多是以化工產(chǎn)品合成的芳香類化合物，年產(chǎn)量很大，其中10%15%被排放到廢水中；染料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，難以降解，具有潛在的毒性及致癌作用，對(duì)人類及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。因此，工業(yè)染料廢水的處理及環(huán)境水中染料污染的去除受到人們的廣泛關(guān)注。多種方法如吸

2、附法、膜分離法、磁分離法、化學(xué)氧化法、生物法等已應(yīng)用于廢水中染料的去除，其中吸附法效果較好，應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的吸附劑存在吸附容量低、難分離等缺點(diǎn)，因此，新型吸附劑材料的開發(fā)與研制成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。氧化石墨烯(GO) 通常是由石墨經(jīng)化學(xué)氧化、超聲制備獲得。因石墨來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，氧化石墨烯便于大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，氧化石墨烯擁有大量的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧基團(tuán)，是一種親水性物質(zhì)，與許多溶劑有著較好的相容性，非常適合在水處理中應(yīng)用。目前報(bào)道的常用的石墨氧化方法主要有Brodie法、Standenmaier法以及Hummers法。其基本原理都是先用強(qiáng)酸處理石墨，形成石墨層間化合物，然后加入強(qiáng)氧化劑

3、將其氧化。其中使用濃H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化劑的Hummers 法最為常用，該方法縮短了制備的時(shí)間，提高了安全系數(shù)，水處理應(yīng)用中多采用該方法。氧化石墨烯可以通過化學(xué)法(利用還原劑如水合肼，二甲肼，硼氫化鈉等) 、熱剝離法、紫外光輻射法、微波法等方法還原成石墨烯。將氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)部分還原后得到還原氧化石墨烯(RGO) ，提高了其表面電勢(shì)，相比氧化石墨烯，對(duì)于水中陰離子污染物的吸附能力有所增強(qiáng)。氧化石墨烯（GO）是一種新型二維碳納米材料，由于具有超大的比表面積，表面有大量的含氧官能團(tuán)（包括羥基、環(huán)氧基、羧基等），可以有效地吸附廢水中的染料，已成為一種性能優(yōu)異的新型吸附劑。

4、本文以結(jié)晶紫為模擬染料，研究了氧化石墨烯（GO）對(duì)結(jié)晶紫的吸附性能，考察了GO的用量、染料濃度、吸附時(shí)間等各因素對(duì)吸附的影響，對(duì)吸附曲線進(jìn)行分析，為GO處理印染廢水提供了科學(xué)依據(jù)。2. 實(shí)驗(yàn)部分： 2.1實(shí)驗(yàn)儀器分析天平（ME 分析天平）；721 紫外可見分光光度計(jì)(上海天普分析儀器有限公司)；數(shù)顯恒溫水浴震蕩器(上海巨納科技有限公司)；電熱恒溫水浴鍋（常州諾基儀器有限公司）；超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)。 2.2實(shí)驗(yàn)試劑結(jié)晶紫（分析純AR）；乙醇（分析純AR）；KMnO4(分析純)；NaN03(分析純)；濃H2SO4；30%雙氧水氧；膨脹石墨；化石墨烯為實(shí)驗(yàn)方法自制；實(shí)驗(yàn)用水為去離

5、子水。 2.3制備過程GO的合成制備方法簡(jiǎn)介：采用改進(jìn)的Hummers法。稱取2.0g石墨粉和1.0g硝酸鈉加入到46mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸中，冰水浴，使溫度冷卻到0，強(qiáng)力攪拌20min后加入10.0g高錳酸鉀。嚴(yán)格控制加入速度，使混合液溫度不超過20，繼續(xù)強(qiáng)力攪拌1h。撤去冰水浴，將混合液移入35恒溫水浴鍋中繼續(xù)攪拌1h后停止水浴，在攪拌的條件下向反應(yīng)物中加入92mL蒸餾水，控制溫度在92反應(yīng)30min。將混合液中加入280mL蒸餾水，此時(shí)溶液的顏色為土黃色，滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%雙氧水后溶液變?yōu)榱咙S色懸浮液。靜置后，取下層沉淀，離心分離并用蒸餾水洗至中性。取離心管底部沉淀平鋪于表面皿中，

6、放入60干燥箱中烘至恒重，即得GO。 不同氧化程度氧化石墨烯溶液的制備：通過調(diào)節(jié)溶液PH值，超聲分散制備氧化石墨烯的水相分散液嘲。取氧化石墨樣品0.1g磨細(xì)，加入到100mL, pH=1l的氨水中，攪拌30min，然后置于超聲波分散裝置中，設(shè)置功率為200W，超聲分散60min。取出在轉(zhuǎn)速10000r/min一下離心5min，去除下部少量未分散氧化石墨，制得穩(wěn)定分散的氧化石墨烯水相分散液。重復(fù)卜述操作，制得系列不同氧化程度氧化石墨烯樣品。 2.4吸附性能的測(cè)定2.4.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制用分析天平準(zhǔn)確稱取0.05g結(jié)晶紫，溶于500mL容量瓶并準(zhǔn)確定容配成100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別用移液管取標(biāo)

7、準(zhǔn)溶液0.25mL,0.5mL,0.75mL,1.0mL,1.25mL,1.5mL,1.75mL,2.0mL,2.25mL,2.5mL與50mL容量瓶中定容配制成0.5mg/L,1.0mg/L,1.5mg/L,2.0mg/L,2.5mg/L,3.0mg/L,3.5mg/L,4.0mg/L,4.5mg/L,5.0mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別測(cè)定溶液在590nm下可見光吸光度A。測(cè)得數(shù)據(jù)如下：結(jié)晶紫溶液濃度/吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度：mg/L0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0吸光度：10.1250.2180.3040.3980.4890.5790.6810.7690.8680.96

8、0根據(jù)表中所測(cè)得數(shù)據(jù)，利用Origin軟件作圖作出曲線并擬合出濃度與吸光度的線性函數(shù)為：y=0.19384x（相關(guān)系數(shù)R2=0.99991）2.4.2不同用量氧化石墨烯對(duì)結(jié)晶紫溶液的吸附效果配置不同含量的氧化石墨烯：分別取濃度為10mg/g氧化程度為6mgKMnO4的氧化石墨烯溶液0.1ml，0.25ml，0.5ml，1.0ml，2ml，4ml，加水稀釋至20ml分別取100mg/L的結(jié)晶紫溶液，不同氧化石墨烯含量的溶液各5mL，混合成10mL吸附溶液，放入振蕩器中30恒溫以100r/min振蕩頻率振蕩2h。將各錐形瓶中不同用量氧化石墨烯吸附后的結(jié)晶紫溶液，用注射器吸取出來(lái)，并用44nm孔徑的

9、過濾嘴出去氧化石墨烯顆粒，用分光光度計(jì)測(cè)量吸附后溶液吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線得出吸附后的濃度，對(duì)于吸附后溶液濃度較大的，要進(jìn)行稀釋后測(cè)量。2.4.3氧化石墨烯對(duì)不同濃度結(jié)晶紫溶液的吸附效果 取濃度10mg/g氧化程度為6mgKMnO4的氧化石墨烯溶液0.5ml，加去離子水39.5ml配成40ml稀釋氧化石墨烯溶液。取100mg/L的結(jié)晶紫溶液進(jìn)行稀釋，分別配置成100mg/L、90 mg/L、80 mg/L、70 mg/L、60 mg/L、50 mg/L的濃度梯度的結(jié)晶紫溶液，再分別取出5mL加入錐形瓶，再向每個(gè)錐形瓶中分別加入配制好的稀釋的氧化石墨烯溶液5mL。然后馬上放入振蕩器中恒溫30下用1

10、00r/min的頻率振動(dòng)2h。將各錐形瓶中不同濃度結(jié)晶紫溶液吸附后溶液，用注射器吸取出來(lái)，并用44nm孔徑的過濾嘴出去氧化石墨烯顆粒，用分光光度計(jì)測(cè)量吸附后溶液吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線得出吸附后的濃度，對(duì)于吸附后溶液濃度較大的，要進(jìn)行稀釋后測(cè)量。2.4.4不同吸附時(shí)間對(duì)氧化石墨烯吸附結(jié)晶紫溶液的影響分別配置濃度為70mg/L，100mg/L的結(jié)晶紫溶液50mL，配置含6.25mg氧化石墨烯的溶液50mL兩份。將兩種不同濃度的結(jié)晶紫溶液與等體積的氧化石墨烯溶液分別混合，置于振蕩器中恒溫30下用100r/min的頻率振動(dòng)振蕩。每隔20分鐘用之前方法分別各測(cè)量一次吸附后溶液吸光度，對(duì)于吸附后溶液濃度較大

11、的，要進(jìn)行稀釋后測(cè)量。3. 結(jié)果與討論： 3.1吸附劑用量對(duì)吸附效果的影響 不同氧化石墨烯用量下結(jié)晶紫溶液的吸附量變化曲線及除去率曲線：圖1由圖1的實(shí)驗(yàn)分析，固定結(jié)晶紫濃度50mg/L吸附時(shí)間2h下，測(cè)量不同含量的氧化石墨烯對(duì)結(jié)晶紫的吸附量及去除率的影響。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪的曲線可以看出，隨著GO用量的增加，去除率先是呈上升的趨勢(shì)，但當(dāng)吸附劑用量達(dá)到一定量時(shí)除率達(dá)到97%以上，除去率隨吸附劑用量變化開始變小甚至不變。吸附量隨氧化石墨烯吸附劑用量的增加而減小，這是因?yàn)槲絼┘尤朐蕉?，所能提供的吸附點(diǎn)位越多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過吸附點(diǎn)位飽和值，大量的有效吸附點(diǎn)位并未被充分利用，從而導(dǎo)致了GO吸附結(jié)晶紫的過程中單位

12、吸附量下降。 3.2結(jié)晶紫溶液濃度對(duì)吸附效果的影響0.0625mg/L的氧化石墨烯吸附劑用量下不同濃度結(jié)晶紫溶液的吸附量及去除率曲線：圖2由圖2的實(shí)驗(yàn)分析，固定GO的含量為0.625mg對(duì)不同濃度的結(jié)晶紫溶液進(jìn)行吸附，在保證吸附時(shí)間的條件下觀察溶液濃度對(duì)吸附效果的影響。根據(jù)圖2分析，明顯可以看出，隨著結(jié)晶紫濃度的減小，GO對(duì)溶液中結(jié)晶紫的去除率呈逐漸上升趨勢(shì)，然后在溶液濃度達(dá)到較低時(shí)去除率變化開始變小，并逐漸趨近與100%。即GO對(duì)低濃度結(jié)晶紫溶液去除率高，高濃度下除去率降低。吸附量隨著結(jié)晶紫濃度的增加而增加，在高濃度下呈線性相關(guān)，低濃度下吸附量隨溶液濃度變大而增加得更加明顯。這說明低濃度下吸

13、附性能較差，高濃度下吸附性能更好。 3.3吸附時(shí)間對(duì)GO吸附結(jié)晶紫過程的吸附效果影響利用標(biāo)準(zhǔn)曲線換算出各時(shí)刻溶液濃度，得出氧化石墨烯的吸附效果與時(shí)間的關(guān)系:圖3（35mg/L結(jié)晶紫溶液）圖4（50mg/L結(jié)晶紫溶液）由圖3和圖4的實(shí)驗(yàn)分析，固定GO的含量6.25mg的GO，分別用濃度為35mg/L，50mg/L的結(jié)晶紫，測(cè)量GO對(duì)結(jié)晶紫的吸附效果隨吸附時(shí)間的變化。對(duì)比兩條曲線都可以明顯看出，隨著時(shí)間的增加，吸附量和去處率都顯著增加，分別在100min和80min達(dá)到平衡，平衡后吸附量和去除率都趨于穩(wěn)定。這種變化趨勢(shì)是由于GO與結(jié)晶紫之間存在這較強(qiáng)的結(jié)合力，在吸附初期，結(jié)晶紫分子通過范德華力吸附在GO的表面上，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，表面達(dá)到飽和，接著吸附量緩慢增加，最終達(dá)到吸附平衡。