氧化石墨烯对结晶紫的吸附性能研究

专业综合实验报告
学院：化工与制药学院班级：精细化工1202班姓名：胡建雄
学号： 121408030309 指导老师：刘翠云
氧化石墨烯对结晶紫的吸附性能研究
精细化工1202班胡建雄
1.前言：
随着中国染料工业迅速发展，染料应用领域大大拓宽，不仅用于装点服饰、美化生活和环境，也已经成为化学工业的一个重要分支。

染料大多是以化工产品合成的芳香类化合物，年产量很大，其中10%～15%被排放到废水中；染料化学性质稳定，难以降解，具有潜在的毒性及致癌作用，对人类及生态环境造成了严重的威胁。

因此，工业染料废水的处理及环境水中染料污染的去除受到人们的广泛关注。

多种方法如吸附法、膜分离法、磁分离法、化学氧化法、生物法等已应用于废水中染料的去除，其中吸附法效果较好，应用广泛。

传统的吸附剂存在吸附容量低、难分离等缺点，因此，新型吸附剂材料的开发与研制成为近年来的研究热点。

氧化石墨烯(GO) 通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得。

因石墨来源广泛，价格低廉，氧化石墨烯便于大规模生产。

同时，氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团，是一种亲水性物质，与许多溶剂有着较好的相容性，非常适合在水处理中应用。

目前报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强酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂将其氧化。

其中使用浓H2SO4、NaNO3及KMnO4作氧化剂的Hummers 法最为常用，该方法缩短了制备的时间，提高了安全系数，水处理应用中多采用该方法。

氧化石墨烯可以通过化学法(利用还原剂如水合肼，二甲肼，硼氢化钠等) 、热剥离法、紫外光辐射法、微波法等方法还原成石墨烯。

将氧化石墨烯表面的含氧基团部分还原后得到还原氧化石墨烯(RGO) ，提高了其表面电势，相比氧化石墨烯，对于水中阴离子污染物的吸附能力有所增强。

氧化石墨烯（GO）是一种新型二维碳纳米材料，由于具有超大的比表面积，表面有大量的含氧官能团（包括羟基、环氧基、羧基等），可以有效地吸附废水中的染料，已成为一种性能优异的新型吸附剂。

本文以结晶紫为模拟染料，研究了氧化石墨烯（GO）对结晶紫的吸附性能，考察了GO的用量、染料浓度、吸附时间等各因素对吸附的影响，对吸附曲线进行分析，为GO处理印染废水提供了科学依据。

2.实验部分：
2.1实验仪器
分析天平（ME 分析天平）；721 紫外可见分光光度计(上海天普分析仪器有限公司)；数显恒温水浴震荡器(上海巨纳科技有限公司)；电热恒温水浴锅（常州诺基仪器有限公司）；超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司)。

2.2实验试剂
结晶紫（分析纯AR）；乙醇（分析纯AR）；KMnO4(分析纯)；NaN03(分析纯)；浓H2SO4；30%双氧水氧；膨胀石墨；化石墨烯为实验方法自制；实验用水为去离子水。

2.3制备过程
GO的合成制备方法简介：采用改进的Hummers法。

称取2.0g石墨粉和1.0g 硝酸钠加入到46mL质量分数为98%的硫酸中，冰水浴，使温度冷却到0℃，强力搅拌20min后加入10.0g高锰酸钾。

严格控制加入速度，使混合液温度不超过20℃，继续强力搅拌1h。

撤去冰水浴，将混合液移入35℃恒温水浴锅中继续搅拌1h后停止水浴，在搅拌的条件下向反应物中加入92mL蒸馏水，控制温度在92℃反应30min。

将混合液中加入280mL蒸馏水，此时溶液的颜色为土黄色，滴入质量分数为30%双氧水后溶液变为亮黄色悬浮液。

静置后，取下层沉淀，离心分离并用蒸馏水洗至中性。

取离心管底部沉淀平铺于表面皿中，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备：通过调节溶液PH值，超声分散制备氧化石墨烯的水相分散液嘲。

取氧化石墨样品0.1g磨细，加入到100mL, pH=1l
的氨水中，搅拌30min，然后置于超声波分散装置中，设置功率为200W，超声分散60min。

取出在转速10000r/min一下离心5min，去除下部少量未分散氧化石
墨，制得稳定分散的氧化石墨烯水相分散液。

重复卜述操作，制得系列不同氧化程度氧化石墨烯样品。

2.4吸附性能的测定
2.4.1标准曲线的绘制
用分析天平准确称取0.05g结晶紫，溶于500mL容量瓶并准确定容配成
100mg/L的标准溶液。

分别用移液管取标准溶液0.25mL,0.5mL,0.75mL,1.0mL, 1.25mL,1.5mL,1.75mL,2.0mL,2.25mL,2.5mL与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的标准溶液，分别测定溶液在590nm下可见光吸光度A。

测得数据如下：
结晶紫溶液浓度/吸光度标准曲线
浓度：
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 mg/L
吸光
0.125 0.218 0.304 0.398 0.489 0.579 0.681 0.769 0.868 0.960 度：1
根据表中所测得数据，利用Origin软件作图作出曲线并拟合出浓度与吸光度的线性函数为：y=0.19384x（相关系数R2=0.99991）
2.4.2不同用量氧化石墨烯对结晶紫溶液的吸附效果
配置不同含量的氧化石墨烯：分别取浓度为10mg/g氧化程度为6mgKMnO4的氧化石墨烯溶液0.1ml，0.25ml，0.5ml，1.0ml，2ml，4ml，加水稀释至20ml 分别取100mg/L的结晶紫溶液，不同氧化石墨烯含量的溶液各5mL，混合成10mL 吸附溶液，放入振荡器中30℃恒温以100r/min振荡频率振荡2h。

将各锥形瓶中不同用量氧化石墨烯吸附后的结晶紫溶液，用注射器吸取出来，并用44nm孔径的过滤嘴出去氧化石墨烯颗粒，用分光光度计测量吸附后溶液吸光度，利用标准曲线得出吸附后的浓度，对于吸附后溶液浓度较大的，要进行稀释后测量。

2.4.3氧化石墨烯对不同浓度结晶紫溶液的吸附效果
取浓度10mg/g氧化程度为6mgKMnO4的氧化石墨烯溶液0.5ml，加去离子水39.5ml配成40ml稀释氧化石墨烯溶液。

取100mg/L的结晶紫溶液进行稀释，分别配置成100mg/L、90 mg/L、80 mg/L、70 mg/L、60 mg/L、50 mg/L的浓度梯度的结晶紫溶液，再分别取出5mL加入锥形瓶，再向每个锥形瓶中分别加入配制好的稀释的氧化石墨烯溶液5mL。

然后马上放入振荡器中恒温30℃下用100r/min 的频率振动2h。

将各锥形瓶中不同浓度结晶紫溶液吸附后溶液，用注射器吸取出来，并用44nm孔径的过滤嘴出去氧化石墨烯颗粒，用分光光度计测量吸附后溶液吸光度，利用标准曲线得出吸附后的浓度，对于吸附后溶液浓度较大的，要进行稀释后测量。

2.4.4不同吸附时间对氧化石墨烯吸附结晶紫溶液的影响
分别配置浓度为70mg/L，100mg/L的结晶紫溶液50mL，配置含6.25mg氧化石墨烯的溶液50mL两份。

将两种不同浓度的结晶紫溶液与等体积的氧化石墨烯溶液分别混合，置于振荡器中恒温30℃下用100r/min的频率振动振荡。

每隔20分钟用之前方法分别各测量一次吸附后溶液吸光度，对于吸附后溶液浓度较大的，要进行稀释后测量。

3.结果与讨论：
3.1吸附剂用量对吸附效果的影响
不同氧化石墨烯用量下结晶紫溶液的吸附量变化曲线及除去率曲线：
图1
由图1的实验分析，固定结晶紫浓度50mg/L吸附时间2h下，测量不同含量的氧化石墨烯对结晶紫的吸附量及去除率的影响。

由实验数据描绘的曲线可以看出，随着GO用量的增加，去除率先是呈上升的趋势，但当吸附剂用量达到一定量时除率达到97%以上，除去率随吸附剂用量变化开始变小甚至不变。

吸附量随氧化石墨烯吸附剂用量的增加而减小，这是因为吸附剂加入越多，所能提供的吸附点位越多，远远超过吸附点位饱和值，大量的有效吸附点位并未被充分利用，从而导致了GO吸附结晶紫的过程中单位吸附量下降。

3.2结晶紫溶液浓度对吸附效果的影响
0.0625mg/L的氧化石墨烯吸附剂用量下不同浓度结晶紫溶液的吸附量及去除率曲线：
图2
由图2的实验分析，固定GO的含量为0.625mg对不同浓度的结晶紫溶液进行吸附，在保证吸附时间的条件下观察溶液浓度对吸附效果的影响。

根据图2
分析，明显可以看出，随着结晶紫浓度的减小，GO对溶液中结晶紫的去除率呈逐渐上升趋势，然后在溶液浓度达到较低时去除率变化开始变小，并逐渐趋近与
100%。

即GO对低浓度结晶紫溶液去除率高，高浓度下除去率降低。

吸附量随着结晶紫浓度的增加而增加，在高浓度下呈线性相关，低浓度下吸附量随溶液浓度变大而增加得更加明显。

这说明低浓度下吸附性能较差，高浓度下吸附性能更好。

3.3吸附时间对GO吸附结晶紫过程的吸附效果影响
利用标准曲线换算出各时刻溶液浓度，得出氧化石墨烯的吸附效果与时间的关系:
图3（35mg/L结晶紫溶液）
图4（50mg/L结晶紫溶液）
由图3和图4的实验分析，固定GO的含量6.25mg的GO，分别用浓度为
35mg/L，50mg/L的结晶紫，测量GO对结晶紫的吸附效果随吸附时间的变化。

对比两条曲线都可以明显看出，随着时间的增加，吸附量和去处率都显著增加，分别在100min和80min达到平衡，平衡后吸附量和去除率都趋于稳定。

这种变化趋势是由于GO与结晶紫之间存在这较强的结合力，在吸附初期，结晶紫分子通过范德华力吸附在GO的表面上，随着时间的延长，表面达到饱和，接着吸附量缓慢增加，最终达到吸附平衡。

同时，对比35mg/L，50mg/L的结晶紫的吸附曲线，看出低浓度下GO的除去率更高吸附效果更好，但吸附量相比高浓度结晶紫溶液更小利用率偏低。

同时低浓度溶液的吸附达到平衡所需要的时间更长。

4.结论：
GO对结晶紫溶液的吸附效果与GO的用量，结晶紫溶液浓度，吸附时间都由关系，吸附效果由多因素共同决定。

在实际应用中应综合各种情况，从吸附时间，去除率，GO利用率多方面考虑，选取合适吸附剂用量浓度达到所需的吸附效果。