【摘要】：近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題也變的日益嚴(yán)重,尤其是重金屬污染引起了人們的廣泛關(guān)注。重金屬難以分解,且易在生物體內(nèi)富集,對(duì)生物體及人類具有很大的危害。因此,選擇合適的方法有效處理重金屬?gòu)U水,對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及人類健康的保障具有重要的實(shí)際意義。吸附法是一種能快速而有效去除水體中污染物的方法,在重金屬?gòu)U水處理中有較好的應(yīng)用前景。而吸附劑的選擇是吸附處理效果好壞的關(guān)鍵。氧化石墨烯作為一種新型材料,具有二維單原子層結(jié)構(gòu)、豐富的表面活性基團(tuán)以及巨大的比表面積,引起了廣泛關(guān)注。但氧化石墨烯親水性高,所以存在固液分離困難的問(wèn)題。此外,實(shí)際的廢水中通常還共存一些其他背景電解質(zhì)離子以及有機(jī)物等,它們也會(huì)對(duì)吸附過(guò)程產(chǎn)生影響。所以,研究這些共存背景電解質(zhì)以及有機(jī)物對(duì)吸附過(guò)程的影響機(jī)理具有重要的實(shí)際意義。本論文主要是基于氧化石墨烯這種新型吸附材料,對(duì)其進(jìn)行功能化改性制備衍生材料。探討氧化石墨烯及其衍生材料對(duì)廢水中重金屬離子的富集機(jī)理。本文的具體研究工作及成果可以歸納為以下五個(gè)方面:(1)以氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)作為吸附劑去除廢水中的銅離子,吸附完成后通過(guò)濾膜過(guò)濾法將氧化石墨烯的分離。通過(guò)環(huán)境掃描電鏡(SEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、透射電鏡(TEM)、能譜分析儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、紅外光譜儀(FT-IR)、拉曼光譜儀(Raman)和熱重分析儀(TG-DTA)等技術(shù)表征氧化石墨烯的形貌、結(jié)構(gòu)和成分。考察了溶液p H值、離子強(qiáng)度、有機(jī)酸、反應(yīng)時(shí)間、銅離子初始濃度等對(duì)氧化石墨烯吸附銅離子過(guò)程的影響。并通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型和等溫線模型對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。研究結(jié)果表明,溶液p H值、離子強(qiáng)度、有機(jī)酸和銅離子初始濃度對(duì)吸附過(guò)程均有較大的影響。吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,化學(xué)吸附是整個(gè)吸附過(guò)程的限制步驟。吸附過(guò)程中同時(shí)包括膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散,而顆粒內(nèi)擴(kuò)散并不是整個(gè)過(guò)程唯一的速率控制步驟。等溫吸附數(shù)據(jù)更加符合Langmuir模型,說(shuō)明銅離子在氧化石墨烯表面形成單分子層吸附層,且最大吸附量為50.95 mg/g。但將氧化石墨烯直接作為吸附劑使用還存在固液分離困難的問(wèn)題。(2)以氧化石墨烯為基體,通過(guò)共沉淀法將四氧化三鐵磁性納米離子負(fù)載到其表面,制備磁性氧化石墨烯復(fù)合材料(Magnetic graphene oxide,MGO),提高其固液分離能力。利用SEM、EDS、XRD、FT-IR、拉曼光譜以及XPS等儀器對(duì)制備的材料進(jìn)行表征,并研究其對(duì)水體中鎘離子的吸附特性。研究結(jié)果表明,四氧化三鐵磁性納米粒子被成功地負(fù)載在氧化石墨烯表面。p H增加能促進(jìn)鎘離子的吸附。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型比準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和Elovich動(dòng)力學(xué)模型更加適合于描述吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。溫度升高能夠促進(jìn)鎘離子的吸附。吸附等溫線研究數(shù)據(jù)符合freundlich模型,表明鎘離子的吸附過(guò)程以物理吸附為主。利用部分因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究了5種因素對(duì)鎘離子吸附過(guò)程的主效應(yīng)和交互效應(yīng),結(jié)果表明影響因素a(ph)對(duì)吸附過(guò)程的影響最顯著,而交互作用ce(時(shí)間×nacl)和bc(溫度×?xí)r間)對(duì)吸附過(guò)程的影響最大。(3)研究磁性氧化石墨烯對(duì)廢水中的六價(jià)鉻的吸附性能�？疾炝巳芤簆h值、反應(yīng)時(shí)間、溫度等對(duì)吸附過(guò)程的影響,并通過(guò)動(dòng)力學(xué)、等溫線以及熱力學(xué)模型等對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,探討吸附機(jī)理。研究結(jié)果表明,低ph條件有利于磁性氧化石墨烯吸附六價(jià)鉻,因?yàn)樵诘蚿h環(huán)境中,帶正電的磁性氧化石墨烯更易通過(guò)靜電作用吸引帶負(fù)電荷的cr(vi)離子(hcro4-)。準(zhǔn)二級(jí)和elovich動(dòng)力學(xué)模型能較好擬合動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。吸附等溫線數(shù)據(jù)符合langmuir模型,六價(jià)鉻離子被單層吸附在磁性氧化石墨烯的表面,且起主要作用的是化學(xué)吸附。langmuir模型擬合出的三個(gè)溫度下(15℃、30℃和45℃)的最大吸附量分別為13.48mg/g、29.47mg/g和34.97mg/g。熱力學(xué)參數(shù)表明磁性氧化石墨烯對(duì)六價(jià)鉻的吸附是自發(fā)過(guò)程。利用響應(yīng)面法(rsm)研究了ph值、六價(jià)鉻初始濃度以及溫度等三個(gè)操作參數(shù)對(duì)六價(jià)鉻吸附過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明,在最適合條件下(ph值為2.07,六價(jià)鉻初始濃度為24.29mg/l,溫度為44.78℃),六價(jià)鉻離子最大吸附量為38.62mg/g。(4)將β-環(huán)糊精嫁接到磁性氧化石墨烯表面制備了一種新型的磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料(mgo/β-cd),并作為吸附劑用于處理廢水中的六價(jià)鉻離子。研究了外界環(huán)境條件ph、溫度、六價(jià)鉻初始濃度、時(shí)間、苯胺等對(duì)磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料吸附六價(jià)鉻的影響,并利用吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線以及熱力學(xué)模型等對(duì)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明:磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料對(duì)六價(jià)鉻具有很好的吸附效果,準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和langmuir模型很好的解釋了吸附數(shù)據(jù);顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型擬合結(jié)果可以看出內(nèi)擴(kuò)散不是吸附過(guò)程唯一的限速步驟;熱力學(xué)參數(shù)表明吸附過(guò)程是一個(gè)吸熱和自發(fā)的過(guò)程,所以溫度升高促進(jìn)吸附反應(yīng)的發(fā)生;磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料吸附六價(jià)鉻過(guò)程受到溶液ph值以及離子強(qiáng)度的影響;當(dāng)苯胺存在于反應(yīng)系統(tǒng)時(shí),低ph值會(huì)促進(jìn)六價(jià)鉻吸附,而高ph值反而有抑制效應(yīng)。以上結(jié)果對(duì)促進(jìn)磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料在重金屬?gòu)U水處理過(guò)程中的應(yīng)用具有重要的意義。(5)在吸附法去除廢水中重金屬離子過(guò)程中,研究外界環(huán)境影響因子對(duì)吸附的影響機(jī)理具有重要的意義。分別研究了溶液ph值、離子強(qiáng)度、背景電解質(zhì)、檸檬酸等對(duì)磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料吸附銅離子的影響特性,結(jié)果表明,銅離子的吸附量較大依賴于溶液的ph,且檸檬酸、背景電解質(zhì)以及離子強(qiáng)度等對(duì)吸附過(guò)程影響較大。在ph8時(shí),隨nano3濃度從0m增加到0.1m,銅離子的吸附量也逐漸增加。溶液中l(wèi)ino3、nano3、kno3、nacl和naclo4等背景電解質(zhì)的存在對(duì)吸附過(guò)程影響不顯著。檸檬酸會(huì)促進(jìn)磁性氧化石墨烯/β-環(huán)糊精復(fù)合材料對(duì)銅離子的吸附過(guò)程。吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)遵循準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,膜擴(kuò)散是主要的速度控制步驟。Freundlich和Temkin等溫模型對(duì)吸附等溫?cái)?shù)據(jù)有很好的擬合度。以上研究結(jié)果對(duì)含銅廢水的有效處理及銅污染水體的高效修復(fù)具有重要的意義。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X703
【圖文】：

博士學(xué)位論文此交疊在碳納米管石墨烯片層外形成高度離域化的大 π 鍵，這些大 π 鍵是碳納米管與一些具有共軛性能的大分子以非共價(jià)鍵復(fù)合的化學(xué)基礎(chǔ)。碳納米管包括單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳納米管（multi-walledcarbon nanotubes，MWCNTs）。區(qū)別于傳統(tǒng)晶型碳素材料石墨和金剛石的二維結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)，碳納米管呈一維管狀結(jié)構(gòu)，由一層或多層石墨片沿軸向卷曲成圓柱狀，兩端由半球形的端帽封閉，石墨層片內(nèi)的碳原子以 C=C 鍵相連，單壁碳納米管是由一層石墨片層卷曲而成的，而多壁碳納米管是由多層石墨片層卷曲而成的，多壁碳納米管層片間以范德華力結(jié)合[59]。

博士學(xué)位論文導(dǎo)率等誘人的性質(zhì)[52]。目前石墨烯在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究熱度都非常高。近年來(lái)，石墨烯在廢水處理領(lǐng)域也受到學(xué)者的廣泛研究。石墨烯由于其表面沒(méi)有活性基團(tuán)，所以吸附污染物一般是通過(guò)范德華力或者疏水相互作用[70]。Chang 等[71]研究了在溶液 pH 值為 8 時(shí)，先將螯合試劑 8-羥基喹啉與廢水中的 Cr(III)形成配合物，再填入石墨烯分離柱中，再利用硝酸洗脫，測(cè)出富集倍率是 125；Wang 等[72]在其研究中發(fā)現(xiàn)，相同條件下石墨烯、C18硅膠、石墨碳、多壁碳納米管和單壁碳納米管對(duì)水中 Pb(II)的富集回收率分別為 96.2%、57.1%、45.9%、75.8%和 84.6%，這個(gè)結(jié)果充分體現(xiàn)了石墨烯良好的吸附性能。

博士學(xué)位論文最大橫向大小取決于最初的石墨晶體的大小，但平均大小可以通過(guò)氧化過(guò)程超聲處理過(guò)程[91, 92]來(lái)調(diào)整。氧化石墨的剝離一般可以借助于超聲攪拌[93]或快熱[94, 95]，但是過(guò)度的超聲剝離會(huì)破壞氧化石墨的橫向尺寸[94, 95]。由于位于石墨烯片層邊緣的羧基會(huì)發(fā)生電離，氧化石墨烯可以在水、醇和某些不含表性劑的有機(jī)溶劑中形成一個(gè)穩(wěn)定的膠態(tài)懸浮體[57, 96-98]。氧化石墨烯因?yàn)槠浔碛恤然�、羥基、羰基以及環(huán)氧基等基團(tuán)，所以目前已有很多的研究關(guān)于氧化烯的改性，即通過(guò)一定的方法將一些化學(xué)物質(zhì)通過(guò)基團(tuán)嫁接在氧化石墨烯的，形成新的功能化氧化石墨烯復(fù)合材料，滿足一些特定的需求。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;科學(xué)家首次用納米管制造出石墨烯帶[J];電子元件與材料;2009年06期

2 ;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[J];高科技與產(chǎn)業(yè)化;2009年06期

3 ;新材料石墨烯[J];材料工程;2009年08期

4 ;日本開(kāi)發(fā)出在藍(lán)寶石底板上制備石墨烯的技術(shù)[J];硅酸鹽通報(bào);2009年04期

5 馬圣乾;裴立振;康英杰;;石墨烯研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代物理知識(shí);2009年04期

6 傅強(qiáng);包信和;;石墨烯的化學(xué)研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2009年18期

7 ;納米中心石墨烯相變研究取得新進(jìn)展[J];電子元件與材料;2009年10期

8 徐秀娟;秦金貴;李振;;石墨烯研究進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;2009年12期

9 張偉娜;何偉;張新荔;;石墨烯的制備方法及其應(yīng)用特性[J];化工新型材料;2010年S1期

10 萬(wàn)勇;馬廷燦;馮瑞華;黃健;潘懿;;石墨烯國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J];科學(xué)觀察;2010年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 成會(huì)明;;石墨烯的制備與應(yīng)用探索[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2009論文摘要集[C];2009年

2 錢文;郝瑞;侯仰龍;;液相剝離制備高質(zhì)量石墨烯及其功能化[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第04分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2010年

3 張甲;胡平安;王振龍;李樂(lè);;石墨烯制備技術(shù)與應(yīng)用研究的最新進(jìn)展[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第3分冊(cè)）[C];2010年

4 趙東林;白利忠;謝衛(wèi)剛;沈曾民;;石墨烯的制備及其微波吸收性能研究[A];第七屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（第7分冊(cè)）[C];2010年

5 沈志剛;李金芝;易敏;;射流空化方法制備石墨烯研究[A];顆粒學(xué)最新進(jìn)展研討會(huì)——暨第十屆全國(guó)顆粒制備與處理研討會(huì)論文集[C];2011年

6 王冕;錢林茂;;石墨烯的微觀摩擦行為研究[A];2011年全國(guó)青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 趙福剛;李維實(shí);;樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)功能化石墨烯[A];2011年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集[C];2011年

8 吳孝松;;碳化硅表面的外延石墨烯[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

9 周震;;后石墨烯和無(wú)機(jī)石墨烯材料:計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合[A];中國(guó)化學(xué)會(huì)第28屆學(xué)術(shù)年會(huì)第4分會(huì)場(chǎng)摘要集[C];2012年

10 周琳;周璐珊;李波;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯光化學(xué)修飾及尺寸效應(yīng)研究[A];2011中國(guó)材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 姚耀;石墨烯研究取得系列進(jìn)展[N];中國(guó)化工報(bào);2009年

2 劉霞;韓用石墨烯制造出柔性透明觸摸屏[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

3 記者 王艷紅;“解密”石墨烯到底有多奇妙[N];新華每日電訊;2010年

4 本報(bào)記者 李好宇 張們捷(實(shí)習(xí)) 特約記者 李季;石墨烯未來(lái)應(yīng)用的十大猜想[N];電腦報(bào);2010年

5 證券時(shí)報(bào)記者 向南;石墨烯貴過(guò)黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時(shí)報(bào);2010年

6 本報(bào)特約撰稿 吳康迪;石墨烯 何以結(jié)緣諾貝爾獎(jiǎng)[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 記者 謝榮　通訊員 夏永祥 陳海泉 張光杰;石墨烯在泰實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[N];泰州日?qǐng)?bào);2010年

8 本報(bào)記者 紀(jì)愛(ài)玲;石墨烯：市場(chǎng)未啟 炒作先行[N];中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào);2011年

9 周科競(jìng);再說(shuō)石墨烯的是與非[N];北京商報(bào);2011年

10 王小龍;新型石墨烯材料薄如紙硬如鋼[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 呂敏;雙層石墨烯的電和磁響應(yīng)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 羅大超;化學(xué)修飾石墨烯的分離與評(píng)價(jià)[D];北京化工大學(xué);2011年

3 唐秀之;氧化石墨烯表面功能化修飾[D];北京化工大學(xué);2012年

4 王崇;石墨烯中缺陷修復(fù)機(jī)理的理論研究[D];吉林大學(xué);2013年

5 盛凱旋;石墨烯組裝體的制備及其電化學(xué)應(yīng)用研究[D];清華大學(xué);2013年

6 姜麗麗;石墨烯及其復(fù)合薄膜在電極材料中的研究[D];西南交通大學(xué);2015年

7 姚成立;多級(jí)結(jié)構(gòu)石墨烯/無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合材料的仿生合成及機(jī)理研究[D];安徽大學(xué);2015年

8 伊丁;石墨烯吸附與自旋極化的第一性原理研究[D];山東大學(xué);2015年

9 梁巍;基于石墨烯的氧還原電催化劑的理論計(jì)算研究[D];武漢大學(xué);2014年

10 王義;石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲(chǔ)能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 詹曉偉;碳化硅外延石墨烯以及分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

2 王晨;石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)及其對(duì)電化學(xué)性能的影響[D];北京化工大學(xué);2011年

3 苗偉;石墨烯制備及其缺陷研究[D];西北大學(xué);2011年

4 蔡宇凱;一種新型結(jié)構(gòu)的石墨烯納米器件的研究[D];南京郵電大學(xué);2012年

5 金麗玲;功能化石墨烯的酶學(xué)效應(yīng)研究[D];蘇州大學(xué);2012年

6 黃凌燕;石墨烯拉伸性能與尺度效應(yīng)的研究[D];華南理工大學(xué);2012年

7 劉汝盟;石墨烯熱振動(dòng)分析[D];南京航空航天大學(xué);2012年

8 雷軍;碳化硅上石墨烯的制備與表征[D];西安電子科技大學(xué);2012年

9 于金海;石墨烯的非共價(jià)功能化修飾及載藥系統(tǒng)研究[D];青島科技大學(xué);2012年

10 李晶;高分散性石墨烯的制備[D];上海交通大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2784797