本文關(guān)鍵詞：石墨烯類材料對水體中多種污染物的吸附去除研究

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【摘要】：石墨烯是一種性能優(yōu)異的二維碳基納米材料,在廢水處理領(lǐng)域中,石墨烯及其化學(xué)前體氧化石墨烯(GO)由于具有高比表面積以及表面官能團(tuán)豐富等特點(diǎn),十分有利于吸附水體中不同污染物,是一種具有廣泛應(yīng)用潛力的新型吸附材料。在本研究中,筆者系統(tǒng)地研究了GO表面結(jié)構(gòu)與其吸附行為的構(gòu)效關(guān)系,并開發(fā)了數(shù)種石墨烯類改性吸附劑,系統(tǒng)考察了其針對水體中多種污染物的吸附脫除特性。在具體石墨烯基材料研發(fā)前,對其材料表面特性和吸附行為有一定了解是非常重要的,這能夠更好地指導(dǎo)材料的制備與工藝設(shè)計(jì)。因而在GO吸附劑制備之前筆者先進(jìn)行了一些列關(guān)于石墨烯結(jié)構(gòu)性質(zhì)與其吸附行為在構(gòu)效關(guān)系的理論性研究。首先筆者制備了一系列不同氧化度的GO,并研究了GO表面結(jié)構(gòu)對其亞甲藍(lán)和芳香族有機(jī)物吸附行為的影響。結(jié)果顯示,對于亞甲藍(lán),氧化度的提高會(huì)極大地促進(jìn)其吸附,這一方面是含氧官能團(tuán)增多,靜電作用增強(qiáng)；另一方面是GO更易剝離,比表面積增大所致。亞甲藍(lán)的吸附模式亦受氧化度影響,在氧化度較低時(shí)亞甲藍(lán)可能為多層吸附,在氧化度較高時(shí)轉(zhuǎn)化為單層吸附。而對于芳香族有機(jī)物的吸附,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)在石墨烯對該類污染物的吸附過程中疏水性作用是占據(jù)主導(dǎo)地位的,吸附對pH大多并不敏感,同時(shí)芳香族有機(jī)物的吸附主要是多層異質(zhì)吸附�；谖綌�(shù)據(jù),筆者還提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?基于GO上不同區(qū)域結(jié)構(gòu)的含量來預(yù)測其吸附行為。模型針對吸附數(shù)據(jù)的擬合取得了較好的結(jié)果,證實(shí)了疏水性作用的主導(dǎo)性。構(gòu)效關(guān)系研究的結(jié)果顯示GO本身對親水性污染物的吸附性能良好,其氧化程度的增加有利于提高其對親水性污染物的吸附性能,同時(shí)對疏水性有機(jī)物的吸附有一定的抑制作用；同時(shí)GO在溶液中的沉降分離也是其在實(shí)際應(yīng)用過程中需要解決的重要問題。在上述理論性研究基礎(chǔ)上,接下來筆者著手進(jìn)行了數(shù)種基于石墨烯吸附劑的制備和性能測試。首先為了解決GO在水體中的快速分離問題,筆者通過共沉淀法合成了磁性氧化石墨烯(MGO),并研究了其結(jié)構(gòu)性質(zhì)和對鐵、錳模擬污水的吸附行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,MGO上的GO片層基本保持了原有的結(jié)構(gòu),同時(shí)在磁場作用下能快速從水中沉降分離。MGO對微污染鐵錳模擬廢水有快速而徹底的去除效果,其平衡時(shí)間在lmin以內(nèi),而殘留濃度被控制在了國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。而對于較高濃度的鐵錳溶液,MGO的吸附量也在同類吸附劑中達(dá)到了較高水平。對于鐵錳共存溶液,MGO在低濃度下能同時(shí)去除鐵錳,在高濃度下則表現(xiàn)出對鐵的專一選擇性。這種行為變化是由于吸附劑表面位點(diǎn)的異質(zhì)性和吸附質(zhì)濃度與吸附劑位點(diǎn)含量的相對比例變化造成的。在吸附劑的回收利用方面,吸附了鐵錳的MGO可通過二次吸附氟離子的方法加以再利用�？傮w而言,MGO的特性非常適合微污染鐵錳廢水的快速深度處理。之后針對有機(jī)污染物,我們以GO,鐵鹽溶液和綠色還原劑為原料,通過共沉淀-還原法合成了一種基于還原氧化石墨烯的磁性復(fù)合材料(MRGO),并研究了該材料的性質(zhì)與其對多種氯酚的吸附性能。MRGO的表征結(jié)果表明,MRGO的石墨烯片層得到了有效的還原,同時(shí)磁性納米粒子被成功地負(fù)載到了RGO片層上,起到了抑制各片層結(jié)塊、防止比表面積縮小的作用。吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MRGO對溶解度較小,氯取代數(shù)更高,分子量較大的氯酚吸附效果更好,吸附機(jī)理主要為π-π作用和疏水作用,對氯酚的吸附量隨著溶液初始pH的升高而減小。其對氯酚的吸附行為符合Freundlich模型,為異質(zhì)多層吸附,同時(shí)在動(dòng)力學(xué)上可能有多重機(jī)理共同作用。在吸附完氯酚之后,MRGO可被有效地再生與循環(huán)利用,在此過程中吸附量無明顯下降。最后還合成了一種新型的兩性復(fù)合吸附劑CS-GO,該吸附劑由殼聚糖(CS)和GO復(fù)合而成。它結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)并彌補(bǔ)了其各自的應(yīng)用局限,具有可由酸堿調(diào)控的表面電性質(zhì)。筆者用CS-GO分別吸附與不同電性的多種污染物,其中酸性條件下,CS-GO易于吸附甲基橙(MO)和Cr(Ⅵ);堿性條件下,CS-GO可有效吸附脫除亞甲藍(lán)(MB)和Cu(Ⅱ)。同時(shí)CS-GO對上述多種污染物均具有較高的吸附量,但其對MO吸附量要高于Cr(Ⅵ),而對MB的吸附量要優(yōu)于Cu(II);此外,CS-GO對陰離子型污染物吸附量都隨pH升高而下降；對陽離子型污染物吸附量都隨pH升高而上升。等溫吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,只在材料組分CS和GO中的某一種上發(fā)生吸附的污染物其吸附行為遵循Langmuir模型,而在CS和GO上同時(shí)發(fā)生吸附的污染物其吸附行為則遵循Freundlich模型。污染物在酸性條件下CS-GO上的吸附平衡時(shí)間要短于堿性條件,所有污染物在CS-GO上的吸附行為與準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)模型都有關(guān)聯(lián),其吸附動(dòng)力學(xué)可能涉及多種機(jī)理。最后,對污染物二元共存體系的吸附實(shí)驗(yàn)表明,吸附競爭主要發(fā)生在離子型位點(diǎn)上,染料型污染物由于其吸附機(jī)理的多樣性總吸附量更高。綜上所述,CS-GO是一種對多類污染物均具有良好去除效果的復(fù)合型吸附劑�？偠灾�,以石墨烯為基材制備的新型吸附材料對多種污染物都具有良好的吸附去除效果,具有巨大的應(yīng)用潛力。雖然其邁向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中仍然需要解決如成本等問題,但由于石墨烯的研究目前尚在起步階段,且其成本高主要源于合成工藝問題而非原材料本身的稀缺性。相信不久的將來,石墨烯類材料低成本制備工藝的工業(yè)化實(shí)現(xiàn),對其在包括環(huán)保產(chǎn)業(yè)在內(nèi)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用將具有積極推動(dòng)作用。而作為前期預(yù)研,希望本論文工作能對石墨烯類環(huán)保材料的研發(fā)與應(yīng)用有所助益。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯 吸附 構(gòu)效關(guān)系 廢水處理
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.11;X703
【目錄】：

• 摘要6-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 緒論12-41
• 第一節(jié) 水污染概況12-13
• 第二節(jié) 水污染的治理方法13-18
• 第三節(jié) 石墨烯類材料發(fā)現(xiàn)和制備18-24
• 第四節(jié) 石墨烯類材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)24-29
• 第五節(jié) 石墨烯類材料的改性方法29-31
• 第六節(jié) 石墨烯類材料在廢水處理吸附工藝中的應(yīng)用31-39
• 第七節(jié) 論文的主要研究內(nèi)容39-41
• 第二章 氧化石墨烯表面結(jié)構(gòu)對其亞甲藍(lán)吸附行為的影響41-59
• 第一節(jié) 引言41
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)儀器試劑和實(shí)驗(yàn)方法41-46
• 第三節(jié) GO系列的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)46-52
• 第四節(jié) GO系列對亞甲藍(lán)的吸附行為52-57
• 第五節(jié) 本章小結(jié)57-59
• 第三章 氧化石墨烯表面結(jié)構(gòu)對其芳香族有機(jī)物吸附行為的影響59-69
• 第一節(jié) 引言59-60
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)儀器試劑和實(shí)驗(yàn)方法60-61
• 第三節(jié) GO系列對芳香族有機(jī)物的吸附行為61-68
• 第四節(jié) 本章小結(jié)68-69
• 第四章 磁性氧化石墨烯的制備及其對鐵錳模擬廢水的吸附性能研究69-86
• 第一節(jié) 引言69-70
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)儀器試劑和實(shí)驗(yàn)方法70-74
• 第三節(jié) 磁性氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)74-77
• 第四節(jié) 磁性氧化石墨烯對模擬廢水中鐵錳的吸附行為77-85
• 第五節(jié) 本章小結(jié)85-86
• 第五章 磁性還原氧化石墨烯的制備及其對水體中氯酚的吸附去除研究86-103
• 第一節(jié) 引言86-87
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)儀器試劑和實(shí)驗(yàn)方法87-91
• 第三節(jié) 磁性還原氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)91-96
• 第四節(jié) 磁性還原氧化石墨烯對多種氯酚的吸附行為96-101
• 第五節(jié) 本章小結(jié)101-103
• 第六章 殼聚糖-氧化石墨烯復(fù)合吸附劑的制備及對多種污染物的去除研究103-120
• 第一節(jié) 引言103-41
• 第二節(jié) 實(shí)驗(yàn)儀器試劑和實(shí)驗(yàn)方法41-109
• 第三節(jié) 殼聚糖-氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)109-112
• 第四節(jié) 殼聚糖-氧化石墨烯對多種污染物的吸附行為112-118
• 第五節(jié) 本章小結(jié)118-120
• 總結(jié)與展望120-122
• 參考文獻(xiàn)122-135
• 科研成果展示135-137
• 致謝137-138

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 馬麗;金鳳君;劉毅;;中國經(jīng)濟(jì)與環(huán)境污染耦合度格局及工業(yè)結(jié)構(gòu)解析[J];地理學(xué)報(bào);2012年10期

2 王波;賀盛福;張帆;彭志遠(yuǎn);彭曉春;;樹枝狀聚酰胺-胺接枝氧化石墨烯的制備及其對Cu(Ⅱ)的吸附動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)[J];精細(xì)化工;2014年08期

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本文編號(hào)：575120