氮杂冠醚功能化氧化石墨烯对铊吸附性能及机理研究

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铊是一种动植物非必需的有毒有害重金属元素。矿产资源开发利用活动导致水环境铊污染事件频发,已引起广泛关注。因此,研发出高效去除水环境中铊的材料及技术,成为研究的热点。石墨烯是目前最理想的二维纳米材料,越来越多应用于污染物净化吸附材料。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段,通过引入特定的官能团,可以极大增强石墨烯的吸附性能。因此,本文通过引用氮杂冠醚来对氧化石墨烯(GO)进行功能化,探索氮杂冠醚功能化氧化石墨烯(FGO)及其对铊的去除效率,查明影响其吸附效率的影响因子,查明其吸附机理。首先研究了GO以及FGO对溶液中重金属铊的吸附过程特征,讨论了溶液pH值、反应温度、吸附剂量对铊去除效率的影响,通过吸附动力学和等温吸附模型和Gaussian 09W软件构建吸附前后的模型,并结合实际仪器的表征探索吸附机理。研究结果表明,在常温条件下,pH为9,吸附剂量为0.08 g/L的条件下,对于浓度为10 mg/L的Tl(I)去除率能达到85.88%。FGO去除溶液中重金属铊在吸附动力学中更适合用伪二级动力学模型(R2=0.988),在等温吸附模型中更适合用Langmuir模型(R2=0.991),FT-IR、XPS等表征表明Tl(I)主要与FGO中的氧元素有电中和作用,属于化学吸附,结合Gaussian 09W的静电势、平均离子能和吸附能的理论计算分析可以相互验证该实验结果的合理性与真实性。其次,研究了FGO协同次氯酸钠氧化剂对除铊的吸附过程特征。实验研究发现,次氯酸钠单独除铊的效果不佳,吸附效率仅为29%,但是结合FGO材料后经过共同作用,吸附效率大大提升。在同样的实验条件下加入20 m M的次氯酸钠氧化剂除铊的吸附效率可以达到98.9%,共存离子Ca2+、Mg2+、Na+对吸附反应的影响不大。FGO结合氧化剂除铊在吸附动力学里更符合伪一级动力学模型(R2=0.952),在等温吸附中更符合Langmuir(R2=0.997)模型,结果表明该反应原理为化学吸附及氧化沉淀共同作用。FGO制作简单,作为吸附剂去除重金属的用量少,非常经济有效,为投入实际含铊废水检测或处理提供了一种新的技术途径。
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