石墨烯对金属离子的吸附特性研究

论文总字数：24083字

摘 要

环境污染是现代工业化带来的严重后果。各种有毒物质比如金属离子和挥发性有机物是环境污染的主要来源。特别是对于一些金属离子，由于其可以形成水溶性物质可能会非常容易的输运至不同的地方，造成大面积的污染。因此，对金属离子的污染的处理是具有显著现实意义的课题。

氧化石墨烯是石墨烯经氧化后，因为它的含氧官能团的增加，而使得它的性质比石墨烯更加活泼的石墨烯的氧化物。本文对氧化石墨烯对不同金属离子的吸附特性进行了研究。

本文主要考虑了金属离子的浓度、溶液PH值、氧化石墨烯在溶液中浓度等因素对氧化石墨烯吸附量的影响。为了避免氧化石墨烯不同官能团对金属离子的不同的吸附作用对实验数据产生影响，本文研究使用的氧化石墨烯均为已经制备好的同一种氧化石墨烯，主要针对Cu、Fe、Co、Ni四种离子进行实验，从而通过对比分析，得出关于相关结论。其中氧化石墨烯对金属离子的吸附不仅仅取决于氧化石墨烯类似于石墨烯的特殊的二维结构引起的表面的物理吸附，还有金属离子替换氧化石墨烯的含氧官能团引起的化学吸附。

其中本文研究所用的氧化石墨烯对铜离子的和铁离子的吸附量可达258mg/g和478mg/g,吸附完成时间约为120分钟，而对镍离子和钴离子的吸附量分别可达73.75mg/g和57.87mg/g，吸附完成时间约为90分钟。

关键词：石墨烯、吸附特性、金属离子

A STUDY ON THE METAL ION ADSORPTION CHARACTERISTICES OF THE GRAPHENE OXIDE

Abstract

Environment pollution is a serious consequence of the modern industrialization. The main source of the environmental pollution is the toxic substance, such as the metal ion and the volatile organic compounds. As some of the metal ions can easily form water soluble substance, they may be easy to transport to different places, resulting in a large area of pollution. As a result, the treatment of metal ion has been a significant issue.

Graphene oxide is the outcome of the graphene through oxidation. With the increasing of the oxygen functional group, it is more active than the graphene. The thesis studied the adsorption characteristics of graphene oxide on different metal ions.

The paper mainly take the concentration of the metal ions、the PH value of the solution and the concentration of the graphene oxide into account. To avoid the influence of the different functional groups in the graphene oxide which may affect the different metal ions adsorption, all the tests in the paper used only one kind of graphene oxide. The used graphene oxide were produced by the people in this laboratory, and the experiment concentrated on the study of the Cu、Fe、Ni、Co. The paper finally came to the conclusion by comparing and analyzing the data. Not only the surface adsorption caused by the graphene structure, but also the chemical adsorption resulting from the metal ion replacement of the oxygen functional groups which the metal ion adsorption of the graphene oxide depend on.

In the thesis, the Cu and the Fe adsorption capacity of the graphene oxide used in the study can reach 258mg/g and 478mg/g respectively, it took about 120 minutes. And the Ni and the Co adsorption capacity of the graphene oxide can reach 73.75mg/g and 57.87mg/g respectively, which took about 90 minutes.

Key word: graphene 、adsorption characteristic、metal ion

目录

第一章 绪论 4

1.1 引言 4

1.2 重金属和染料污染的危害 4

1.2.1 重金属污染的危害 4

1.2.2染料污染的危害 4

1.3 染料和重金属污染的处理技术 5

1.3.1 膜分离法 5

1.3.2 沉淀法 5

1.3.3 离子交换法 6

1.3.4 氧化还原法 6

1.3.5 电解法 6

1.3.6 生物法 6

1.3.7 吸附法 7

1.4 碳质类吸附剂 7

1.4.1 活性炭 7

1.4.2 碳纳米管 7

1.4.3 氧化石墨烯 8

1.5研究内容及意义 8

第二章 实验设备及实验方法 10

2.1 氧化石墨烯的制备 10

2.1.1 实验药品 10

2.1.2 实验仪器 10

2.1.3 氧化石墨烯的制备 10

2.2分光光度计 11

2.3 实验方法 11

第三章 批量实验的结果与分析 13

3.1 氧化石墨烯对的吸附实验 13

3.2 氧化石墨烯对的吸附实验 15

3.3 氧化石墨烯对的吸附实验 18

3.4 氧化石墨烯对的吸附实验 21

3.5 不同离子的吸附特性的对比分析 23

3.6 氧化石墨烯对金属离子的吸附原理 25

结论 27

致谢 28

1. 绪论

1.1 引言

水是生命之源，万物之本，是人类生产和生活不可缺少的物质。社会经济的发展加剧了人类的活动，使得水体环境不断地遭到破坏。尤其是占世界总人口将近1/4的中国，水资源非常的匮乏，水体污染相对更加严重。水体污染是指排入水体的污染物质总量超过了水体本身的自净能力，主要是由于人类的生活和生产造成的，其中，染料和重金属废水是主要的有害污水。我国的用水量在近50年迅速增大，加剧了水资源的供需矛盾，同时污水排放量的增加，使人类赖以生存的水资源环境受到了严重破坏。据2003年统计，我国的污水年排放量约为460亿m,其中，生活污水247.6亿m,工业废水212.4亿m,这些污水绝大多数未经处理而直接排放，导致水体被严重污染。

1.2 重金属和染料污染的危害

1.2.1 重金属污染的危害

重金属，常指相对密度在4.5g/以上的50余种金属元素。从环境污染方面来讲，人们通常关注的是铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、砷（As）、锌（Zn）和钴（Co）等对人体健康和自然环境产生危害的重金属。重金属的污染主要来源于工矿企业生产过程中产生的废水，农业生产过程中产生的有机农药污水和城镇居民生活区的生活污水等，重金属以单质或化合物的形式进入水体，破坏了水体环境，导致水体恶化。

对于有机化合物的污染，可以通过自然界本身的自净作用，使污染物浓度降低。而重金属在进入环境或生态系统后不能在环境中降解，只能存留、迁移和富集，通过食物链的生物放大作用，环境中的生物体摄取重金属离子以后，可以在较高级生物体内不断地积累起来，之后再通过食物进入人体，在人体内过量积蓄，与体内蛋白质及各种酶发生相互作用，致使生物体的高分子物质失去活性，造成慢性中毒，对人体造成严重危害。

铅在重金属污染中属于毒性比较大的一种，如果进入人体中，再将其排出会非常困难。铅污染来源广泛，包括燃油和燃煤产生的废气、冶炼厂排放的含铅废水和香烟燃烧产生的含有铅颗粒的烟雾等。人体如果遭受到铅中毒，很容易被人们忽略，其发病过程非常缓慢。铅中毒对人体的神经系统、消化系统和血液系统等都有严重的损害。儿童铅中毒经常会出现食欲不振、呕吐、心悸、面色苍白、贫血、智商低下等症状。成年人铅中毒后会出现恶心、腹胀、便血、头痛、眩晕、失眠、心悸、气短等症状。

镉不是人体必需的元素，一旦进入人体将引起慢性中毒。镉的主要污染源是各种工矿企业不正当的运行而造成大量含镉废水的排放。镉的主要危害会使人体骨骼中的钙大量流失，出现骨质疏松、骨骼萎缩和关节疼痛的症状。例如，最早在日本被发现的痛痛病就是由镉中毒引起的，主要原因是当地居住者长时间使用受镉污染的河水和用此水灌溉的稻米，导致镉元素在体内不断地继续，造成肾损害，最后演变成骨软化症。

世界卫生组织（WTO）认为，已知疾病中约80%都与水污染有关，许多疾病通过水体媒介传播。例如，重金属污染生活用水会诱发多种疾病，对人体健康造成严重的危害，如心血管病、肝硬化、癌症等都与重金属污染有关。20世纪五六十年代以来，世界发生过数十起严重的水污染事件，以日本爆发的“水俣病”和“痛痛病”为典型。因此，了解和认识重金属对人类健康的危害，有助于提高人们对水资源及环境的保护意识。

1.2.2染料污染的危害

在改革开放的大背景下，我国纺织染料工业的格局发生了巨大的变化，发展速度空前，跃居世界染料生产的第一位。进入21世纪以来，据统计，我国染料年产量已经达到90万吨，占全球总产量的60%左右。染料产业的快速发展也带来了负面影响，其用水量和排水量都在大幅度的增长，作为各行业中的排污大户之一，我国日排放纺织印染废水量为300万-400万吨。印染废水主要是印染厂排出的废水，成分复杂，通常含有染料、料浆、染色助剂、纤维杂质、油剂、重金属和无机盐等。总的来说，印染废水具备如下特点：排放量大、有毒难降解、有机成分含量高、色度深、化学需要氧量（COD）和生化需氧量（BOD）高。在印染行业中，常常因为不完善的处理和清洗技术，大概有10%～20%的染料从生产的残余液体中排出，每排放1吨的染料废水进入江湖、大海和地面水中，大概就会有20吨水体被污染。

染料是造成印染废水色度高的主要因素，即使排入水体的浓度很低，也会降低水体的透光率，进而会大量消耗水中的氧，水生生物、微生物会因缺氧死亡。大多有机染料是芳香族化合物，生物毒性较大且难降解，具有致癌、致畸、制突变作用 ，简称“三致”。2005年，经过调查发现肯德基调料中含有苏丹红1号，苏丹红是一种人造化学染色剂，根本不能作为食品的添加剂使用，若进入人体中，会有致突变和致癌的可能性，在我国明文禁止使用于食品中。2006年，兰州市环境保护局通报称，黄河兰州段附近的供热站水箱内的残余染色剂泄露，造成黄河“红色污染”事件，经过污水采样监测发现，水箱内含有一种名叫玫瑰精的碱性染料，主要用于毛、丝、棉制品和纸张、皮革的印染，具有中等毒性。2014年，《新京报》曝光关于包括宁夏明盛染化公司在内的多家染料中间体还原物生产企业肆意排放污水，当地企业直接将未处理的工业废水，通过简陋的管道将其排放到露天的排放到露天的排污池中，让其自然蒸发，散发着令人窒息的刺鼻气味，然后将一些未挥发掉的粘稠沉淀物打捞出来，直接填埋在沙漠里，导致腾格里沙漠被严重污染，这一报道引起了社会各界的高度关注。

1.3 染料和重金属污染的处理技术

染料和重金属污染对人类身心健康的危害及对生态环境的破坏日趋严重，如何解决这些污染，降低其在环境中的含量，避免给人类带来危害，成为社会关注的问题。人们对这些污染物的处理十分关心，并且正在努力探究各种行之有效的解决方法。目前水污染的治理方法主要有：膜分离法、沉淀法、离子交换法、氧化还原法、电解法、生物法、吸附法等。

1.3.1 膜分离法

膜分离法是指利用一种特殊的半透薄膜，在某种驱动力（如压力或电力）下，对液体中的一种或几种成分进行有选择性透过，从而达到分离去除的目的。在废水处理中应用的膜分离过程中主要有微虑（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）、和电渗析（ED）。膜分离技术不仅能净化废水，还可以将一些有用物质进行回收再利用，同时具备如下特点：分离过程不会发生相变化；常温下进行，有利于对热敏感物质进行分离；应用范围广泛，通过选择不同的膜类型，可以实现从微粒级到微生物菌体，甚至离子级的分离；无需添加化学药剂，不会造成二次污染。作为21世纪最有前景的水处理技术之一，膜分离技术因具备装置简单，操作方便，占地面积小，维修控制简易，分离效率高等优点，在废水处理中取得广泛的应用。

目前，已有公司开发出了以聚酰胺为材质的抗污染的RO膜，用于废水再利用，具备低压运行，高产水量，耐污染，高脱盐率等优点，最新开发的8’’’RO膜更是广泛应用于工业和生活污水的再生利用等各种领域。张等采用超滤和纳滤相结合的工艺，超滤作为前处理，能去除90%浊度和部分COD,有效提高纳滤膜的抗污染性，纳滤处理技术可将废水中的染料类物质有效地去除。李等采用纳滤技术，研究模拟矿山废水中二价重金属离子镉、锌、铜的去除，在实验最优化条件下，去除率达到了95%。

但是膜材料在使用过程中容易出现堵塞状况，易被污染，寿命较短，分离过程必须保持一定的驱动力，能耗高，膜的造价成本高，这些缺点限制了膜分离技术在大规模工业化中的应用。

1.3.2 沉淀法

沉淀法是水处理技术中比较传统的方法，它的基本原理是利用水中的悬浮颗粒和水的密度差产生重力下沉作用，进而分离。沉淀法有混凝沉淀法和化学沉淀法。混凝沉淀法是向废水中投加化学药剂，使废水中的胶体稳定性遭到破坏，胶体或者悬浮颗粒可以聚集成絮凝体，再加以分离除去，胶体溶液和粒度在1nm~100μm间的部分悬浮液可采用混凝处理。染料在废水中多以胶体状态存在，可采用此方法处理。化学沉淀法是向废水中添加一种或几种化学物质，使它和废水中的某些溶质产生化学反应，生成难溶性的盐，通过过滤和分离使沉淀物从水中分离出来。常用此方法处理工业上产生的含金属离子的废水。沉淀法化学药剂来源广，沉淀时间短，工艺流程简单，操作管理方便，设备投资少，占地面积小，易于实现大批量的废水处理。

1.3.3 离子交换法

离子交换法的实质是不溶性离子化合物（固相离子交换剂）上的可交换离子与水中其他同性离子发生交换反应。它是一种特殊的吸附过程，通常称为离子交换吸附。在工业废水处理中，离子交换吸附主要是用以回收重金属、贵金属和稀有金属，也用于放射性废水和有机废水的处理。离子交换法的历史非常悠久，作为一种现代水净化处理技术开始于看20世纪40年代，人工合成的离子交换树脂推动了其发展，离子交换树脂是应用最为广泛的离子交换剂。该方法去除率和选择性高，适用于高纯度的分离和净化，可浓缩回收有用物质，常用到的离子交换树脂成本低，设备简单，操作易控制。

但离子交换法存在化学试剂生产量和使用量大，对预处理要求高等问题，应用范围受到了限制，而且离子交换剂的再生处理也是一个难题。

1.3.4 氧化还原法

对于一些有毒有害的污染物质，可利用它们在氧化还原反应中能被氧化或还原的特性，改变污染物的性质，将它们变成没有毒性或者生成具有可分离性的新物质，从而净化污水，这种方法称为氧化还原法。依据在氧化还原反应中某些有毒或有害物质反应的类型不同，氧化还原法可以分为氧化法和还原法两种。在废水处理中常用的氧化剂有：空气中的氧、纯氧、臭氧、次氯酸钠、氯气、高锰酸钾和三氯化铁等；常用的还原剂有：硫酸亚铁、铁屑、锌粉、硼氢化钠、二氧化硫、亚硫酸盐和氯化亚铁等。氧化还原方法的优点是操作简单，运行方便，处理效率高，反应时间短。

但氧化还原法应用范围较窄，一般作为废水处理的预处理方法使用，加入的化学试剂会造成二次污染。

1.3.5 电解法

电解质溶液在电流的作用下发生电化学反应的过程称为电解。电解过程中，废水中的污染物可以直接在阳极被氧化，在阴极被还原，或者间接的与电极反应产物发生作用，结果产生新物质，这些新物质在电解过程中会出现三种可能的结果：沉积于电极表面，沉淀于电解槽内，生成气体产物溢出，最终都会使气体中的有毒物质的浓度降低，这种利用电解原理来处理废水中有害物质的方法称为电化学方法或电解法。电解槽内的废水在电流作用下实际的反应过程是很复杂的。电解法因具备装置紧凑，占地面积小，无需添加化学剂，运行管理简单，易于实现自动化等优点，已成为废水处理的一种有效工艺。电解法的应用范围广泛，无机和有机污染物、难生物降解的有毒物质和重金属等都可采用此方法进行处理。

电解法被称为“环境友好技术”，但是电能和电极材料消耗较大，副反应多，电极易钝化，处理量小，不适合处理低浓度的重金属废水，常考虑把电化学方法与其它处理技术联用来净化废水。

1.3.6 生物法

自19世纪末，生物法就开始应用于废水处理，迄今为止，已被广泛应用于城市污水和各种工业有机废水的处理。生物处理的机理是利用微生物的新陈代谢作用，将水中的污染物分解转化成无毒或微毒的物质，以净化水质。按照微生物对氧需求的不同，生物法可分为好氧生物处理、厌氧生物处理和缺氧生物处理.生物法因技术成熟，工艺简单，可操作性强，运转费用低，无需投加药剂，无二次污染等优点已成为世界各国广泛采用的污水处理方法。近一个世纪以来，活性污泥法处理技术不断的改革进化，发展出多样的新型成熟工艺，其中初沉池、曝气池、二沉池、污泥回流系统等是最基本的组成。活性污泥法是一种应用最广泛的污水生物处理法，能够从废水中去除可生物降解的胶体类有机物质和重金属。

但是生物处理技术构筑物庞大，初建费高，占地面积大，对环境条件要求高，所以环保学家和科研工作者们正在不断的完善和改进现有的技术和方法。

1.3.7 吸附法

在污水处理中，吸附法是利用固体物质的表面来吸附废水中的有害物质，从而将其从水体中去除。一般将具有吸附能力的固体物质称为吸附剂，被吸附的物质则成为吸附质。在水处理领域，吸附技术常应用在脱除水中的一些微量有害污染物，如重金属、染料、放射性元素等。

在废水处理的诸多方法中，膜分离法成本高，消耗能量大；沉淀法沉渣量最多，易造成二次污染；离子交换法化学试剂使用量大，对预处理要求高；氧化还原法应用范围窄；电解法耗能多；生物法占地面积大。鉴于这些缺点和不足，上述方法都不适用于大规模的染料和重金属废水处理，而吸附法由于具有效率高、不产生副产物、成本低、设备简单、操作性强、适应范围广等特点，逐渐受到了研究人员的关注。吸附技术发挥效果的好坏关键取决于吸附材料的选择。

1.4 碳质类吸附剂

吸附剂性能的好坏对吸附效率的影响较大：表面化学性质，固体中所具有晶体结构中的化学键、官能团、缺陷等对溶液中电解质离子的选择性吸附有直接关系；机械强度，指吸附剂的柔韧性和耐压性，机械强度越高的吸附剂越能满足技术需求；比表面积，因为吸附现象是发生在吸附剂的表面上，一般吸附剂的比表面积越大，吸附能力就越强，并且比表面积随物质孔隙的增多而增大。除了上述的基本要求外，吸附剂还需要满足：吸附选择性好，吸附容量大，化学性质稳定，制作原料来源广泛，价格低廉等条件。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：24083字