利用石墨废渣制备氧化石墨烯和多孔石墨烯及其吸附性能研究

发布时间：2020-04-16 19:49

【摘要】：作为世界上最大的人造金刚石生产国,我国人造金刚石工业每年都会排放出大量的废石墨,其中仅有少量废石墨被循环用于人造金刚石的合成,部分用于制备低附加值材料,因此,急需开拓废石墨的高附加值应用领域以减少其导致的环境污染和资源浪费。此外,日益严重的水体污染迫切需要高效的治理技术,如吸附法、光催化法等。因此,本文针对废石墨制备氧化石墨烯、多孔石墨烯及其吸附性能进行了一系列研究。首先,对我国某人造金刚石生产企业排出的废石墨进行预处理获得废石墨原料(WG),然后采用Hummers法制备了不同氧化程度的氧化石墨烯(GO-X,X=1,2,3,4,5),再将氧化充分的GO-5配制成初始GO溶液,采用水热法制备出多孔石墨烯(P-rGO)。采用XRD、FT-IR、UV-Vis、Raman、N_2吸附-脱附测试和SEM等测试方法对WG、GO-X和P-rGO的物相组成、显微结构等进行表征,并研究了水热反应温度和时间、GO浓度(C_(GO))、超声处理时间、GO预处理时间等对P-rGO制备的影响规律。以亚甲基蓝(MB)和罗丹明B(RhB)为模拟废水溶液,探究了GO、P-rGO对有机染料的吸附性能。研究表明,在WG转化为GO的过程中,浓H_2SO_4起到了较强的氧化、插层作用,NaNO_3对石墨的氧化作用较小,KMnO_4对石墨的氧化起到了关键作用。低温(5℃)反应条件下石墨的氧化不显著,中温(35℃)反应充分发挥了各种氧化剂的作用,急剧提高了GO的氧化程度,使其层间距大幅提高;高温(90℃)阶段反应促进了氧化剂的扩散,实现了对石墨的彻底氧化,再通过超声处理可得到分散良好的GO-5,其结构与天然鳞片石墨制得的GO略有不同。GO对MB和RhB的去除率随着吸附时间的延长、投入量的增大而升高,随着溶液初始浓度的增大而减小;GO的吸附容量随溶液初始浓度的增大而升高,随投入量的提高而降低。在酸性环境下,GO对MB的去除率随pH值的增大而升高;在碱性环境下变化不大。与此相反,在酸性环境下,GO对RhB的去除率较高且保持稳定;在碱性环境下却呈逐渐减小的趋势。溶液温度对MB和RhB的去除率、GO的吸附量影响不大。GO对MB、RhB的吸附过程均满足准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型。室温、GO投入量为5.7 mg、MB溶液浓度为12 mg·L~(-1)、pH值为6.5时,吸附40 min即达到动态平衡,GO对MB的去除率和吸附量分别为96.05%和379.89 mg·g~(-1),呈现出较好的吸附性能。对于RhB溶液来说,GO投入量为25 mg、pH值为5.4、其他条件相同时,吸附90 min达到动态平衡,GO对RhB的去除率和GO的吸附量分别为85.70%和62.67 mg·g~(-1)。利用GO溶液和水热法制备P-rGO的过程中,GO的还原程度随着水热反应温度的升高和时间的延长而逐步加深,随GO浓度的增大而减弱。所制P-rGO的晶粒呈粒状,尺寸约为20-100 nm,其层间距随超声时间的延长而逐渐增大。P-rGO呈多级孔结构,孔分布不均,孔径大小不一,其比表面积(SSA)、孔容、孔径及孔径分布随水热反应温度、时间和C_(GO)的改变而发生变化。浓度为2 mg·m L~(-1)、超声分散3 h的GO溶液,在220℃水热反应12 h所得P-rGO的SSA、总孔容和平均孔径分别为447.3 m~2·g~(-1)、0.29 cm~3·g~(-1)和2.59 nm。对GO溶液进行预处理可提高其在水热反应过程中的还原程度,且水浴处理时间、添加H_2O_2协同水浴加热处理时间对P-rGO的SSA、孔容、平均孔径、晶粒形貌和尺寸均有影响;但添加H_2O_2延迟了P-rGO的形成过程。以200℃水热合成的P-rGO样品为吸附剂时,吸附25 h可达到动态平衡,对MB溶液的去除率随投入量的增加、pH值的增大而逐步升高;随MB初始浓度的提高而逐步降低,但吸附量却随初始浓度的提高而增加;溶液温度对MB的去除率影响不大;吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型。
【图文】：

污染是亟待解决的问题。因此，研究以废石墨为原其对有机染料的吸附行为，具有重要的经济、社简介的结构由六角共价键的单原子厚度[15,16]的碳原子排列在一，在 4 个碳原子中，其中有 3 个碳原子是以 sp2杂碳原子都呈现出比较高的结合能（~5.9 eV），唯一邻的碳原子形成π键[18]。通常，，不稳定的单原子石石墨，单原子石墨烯层不稳定的特性导致了振动石墨中也存在振动声子。图 1.1 左为石墨烯的晶格[19]。图 1.2 左为 t 和 t’有限值的能谱，其中 t = 2.狄拉克点的能带放大图[19]。

六角共价键的单原子厚度[15,16]的碳原子排列在在 4 个碳原子中，其中有 3 个碳原子是以 sp2原子都呈现出比较高的结合能（~5.9 eV），唯邻的碳原子形成π键[18]。通常，不稳定的单原子石墨，单原子石墨烯层不稳定的特性导致了振墨中也存在振动声子。图 1.1 左为石墨烯的晶9]。图 1.2 左为 t 和 t’有限值的能谱，其中 t = 2拉克点的能带放大图[19]。图 1.1 左：石墨烯的晶格结构，右：相应的布里渊区
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;O647.3

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 邓玲娟;;氧化石墨的制备与表征[J];实验室科学;2015年01期

2 朱宏伟;;石墨烯:单原子层二维碳晶体——2010年诺贝尔物理学奖简介[J];自然杂志;2010年06期

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1 杨晓霞;石墨烯基复合材料的制备及其对染料的吸附性能研究[D];青岛大学;2016年

相关硕士学位论文 前2条

1 王军霞;基于石墨烯及氮化硼的异向介质在高分辨率透镜中的应用[D];浙江大学;2013年

2 陈翠红;少层石墨的制备及Raman光谱研究[D];兰州大学;2010年

本文编号：2629962