氧化石墨烯及其复合微球的制备以及吸附性能的研究

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天然高分子材料因具有生物可降解性、生物兼容性和可再生性的特质,在吸附性能方面引起了研究者的广泛关注。与传统的吸附剂材料相比,氧化石墨烯(GO)具有大的比表面积和丰富含氧官能团(如羟基、羧基、环氧基等),可与贵金属离子通过螯合作用和静电力作用相结合,使氧化石墨烯具有更好的吸附性能。与此同时,壳聚糖(CS)自身携带大量的氨基和羟基,能够用作金属离子的吸附位点。因此,将上述两种优良的吸附剂结合,合成一种新型的复合微球吸附剂,增强对贵金属离子的吸附容量。基于此,我们做了以下研究:第一部分以改进的Hummers法为合成手段,石墨粉经氧化剂氧化还原得到氧化石墨,再经超声分散得到氧化石墨烯。通过傅里叶转换红外光谱分析(FT-IR)和扫描电镜(SEM)等测试手段对GO进行结构表征和材料分析,同时研究GO的吸附性能,主要讨论溶液p H值、吸附时间、初始浓度对其吸附贵金属离子Au(Ⅲ)的性能的影响,以及GO吸附水溶液中的贵金属离子的吸附等温线、吸附动力学行为进行拟合与讨论,并分析作用机理。研究结果表明:在室温及p H=3.0的条件下,GO对Au(Ⅲ)的吸附量最大可达到303.030 mg/g。吸附剂GO对Au(Ⅲ)的吸附等温线拟合中R2大于0.99,符合Langmuir等温吸附模型;吸附动力学中,Au(Ⅲ)在GO上的吸附拟合遵循伪二级动力学模型。第二部分以GO和CS为基础,使用戊二醛做交联剂,通过乳化法合成一系列不同配比的新型复合微球材料,分别标记为CSGO5,CSGO10和CSGO15。采用相同的方法合成不含GO的GCCS微球,进行吸附性能实验对比。主要讨论溶液p H值、吸附时间、初始浓度、吸附剂用量、温度对吸附贵金属Au(Ⅲ)性能的影响,以及进行双组分选择性实验,探究CSGO5微球对贵金属Au(Ⅲ)的吸附选择性,以及通过吸附—解吸循环实验证明CSGO5微球的循环使用价值。并对复合微球吸附水溶液中的贵金属Au(Ⅲ)的吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学行为进行拟合、分析和讨论。结果表明:室温下,当p H=3.0时,吸附剂对贵金属Au(Ⅲ)的吸附量达到最大,吸附性能最好。吸附剂对Au(Ⅲ)的最大吸附容量顺序为:CSGO5>GCCS>CSGO10>CSGO15>GO,与其他吸附剂相比,含5wt%氧化石墨烯壳聚糖微球(CSGO5)对Au(Ⅲ)的吸附能力最大,其对Au(Ⅲ)最大吸附容量为751.879 mg/g。吸附等温线中,各吸附剂对Au(Ⅲ)的吸附等温线拟合很好地符合Langmuir等温吸附。吸附动力学中,Au(Ⅲ)的吸附动力学拟合符合伪二级动力学模型。通过计算吉布斯能量△Gθ、焓变△Hθ、熵变△Sθ等热力学参数表明Au(Ⅲ)在CSGO5微球上的吸附是自发的,吸热的和可行的。吸附—解吸循环实验结果表明,CSGO5微球可以重复使用,且经四次循环使用后CSGO5微球对Au(Ⅲ)的吸附容量没有显著改变,吸附率仍可达98%。此外,双组分选择实验中,CSGO5微球可以很好地回收贵金属Au(Ⅲ),CSGO5复合微球对Au(Ⅲ)具有良好的识别选择性能,相对于贱金属的选择性系数很高。因此,氧化石墨烯/壳聚糖复合微球是一种潜在的有前途的吸附剂。
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