石墨烯水泥基复合材料吸附性能研究

发布时间：2018-04-18 05:21

本文选题：石墨烯 + 水泥基材料　；参考：《大连理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：工业文明的快速发展在改善人民生活、推动科技进步的同时,也随之带来了让人担忧的水资源重金属离子污染问题。重金属离子污染不但会造成重大经济损失,还会严重危害人体健康、破坏生态平衡。因此,如何有效地去除废水中的重金属离子已成为当前亟待解解决的问题之一。作为碳系家族的新成员,自石墨烯发现以来便受到了国内外科技工作者的广泛关注。近年来,许多学者开展了石墨烯及其复合材料在消除水相污染物方面的研究,展现了石墨烯基材料在污水处理过程中的良好应用前景和重大研究价值。本文通过硝酸氧化法处理石墨烯纳米片层,并将其掺入水泥砂浆中,制备了石墨烯水泥基复合材料,研究其对水中pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)等四种重金属离子的吸附效果,初步探讨了石墨烯材料的增强增韧机理及吸附机理。主要研究成果如下(1)石墨烯可以有效吸附水中pb~(2+)离子,且吸附容量大、吸附速率快。当pb~(2+)浓度为10mg/L,溶液pH为7.0,时间为40min,环境温度为60℃时,石墨烯吸附材料净化水质的效果达到最佳。热力学研究表明,Langmuir吸附等温线能更好地拟合石墨烯材料对pb~(2+)的吸附行为,吸附过程属于二级动力学模型。(2)石墨烯的掺入在一定程度上降低了水泥砂浆的流动性,改善了水泥砂浆的力学性能。石墨烯增强水泥基复合材料的力学强度随养护时间的延长而增大,随石墨烯掺量的增加呈先增大后减小的趋势。当石墨烯掺量为0.02wt.%时,试件28d抗折、抗压强度达到最大值12.9MPa、52.4MPa,分别提高了31.63%、20.28%。采用SEM、XRD、TGA等多种微观结构分析方法发现,水泥砂浆力学性能的有效提高主要归因于石墨烯的模板效应和填充作用。(3)石墨烯的掺入显著提高了水泥砂浆对pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)等四种重金属离子的吸附效果。与空白试样相比,石墨烯水泥基材料对pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)Cd~(2+)的去除率分别提高了10.26%、10.49%、12.2%、9.07%。利用SEM-EDS、FT-IR和XRD对石墨烯水泥基复合材料吸附机理进行分析发现,水泥制品依靠离子交换、物理吸附和复分解沉淀反应等作用共同去除水中重金属元素。(4)石墨烯水泥基复合材料对重金属离子的去除率随溶液pH的增大呈先增大后减小的趋势。在pH=7时,石墨烯水泥基材料的吸附效果达到最佳,其对pb~(2+)、Cu~(2+)、Zn~(2+)、Cd~(2+)的去除率分别为93.22%、91.38%、81.20%、81.97%。通过对不同pH下的水泥水化产物进行SEM分析发现,石墨烯水泥基材料对重金属离子的主要吸附方式因溶液pH的变化而有所差异。在酸性条件下,吸附机制主要为离子交换；随pH增大,竞争性吸附减弱,静电吸附量增大；随着pH的进一步增大直至中性或弱碱性,重金属离子开始水解,生成的氢氧化物等沉淀反应所占的比重逐渐增大。(5)在四种重金属离子共存体系中,石墨烯水泥基材料对离子的亲和力顺序为：Pb~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+)Zn~(2+),说明石墨烯增强水泥基复合材料对重金属离子的吸附具有选择性,这种吸附选择顺序取决于离子本身的综合特性。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332

【参考文献】