功能化氧化石墨烯对含Cr<sup>6+</sup>废水的吸附

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陈晨, 黄树辉, 周志文. 功能化氧化石墨烯对含Cr⁶⁺废水的吸附 [J]. 浙江农业科学, 2019,60(2):345-347 复制到剪切板

doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20190252
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功能化氧化石墨烯对含Cr⁶⁺废水的吸附

陈晨¹, 黄树辉^1,^2,^*, 周志文¹

1.温州医科大学公共卫生与管理学院,浙江温州 325035

2.温州医科大学浙南水科学研究院,浙江温州 325035

通讯作者:黄树辉(1977—),女,湖南长沙人,副教授,博士,主要从事水土污染防治研究工作,E-mail:hshuhui@126.com。

作者简介:陈晨(1997—),男,浙江台州人,本科生,专业为环境科学,E-mail: 672488179@qq.com。

基金项目: 温州市科技局项目(20170013); 温州医科大学本科生校级课题(wyx2017101039); 温州医科大学公共与卫生管理学院课题(wgxy2016008)

摘要

对氧化石墨烯进行功能化,制得β-环糊精-磁性氧化石墨烯(β-CD-MGO),探究吸附剂用量、吸附时间、初始pH值、吸附温度等对吸附效果的影响。结果表明,在实验条件下,β-CD-MGO的最佳投加量为0.1 g·L^-1。随着吸附时间延长,β-CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附量逐渐增大,吸附平衡时间为24 h。在30~50 ℃,温度越高,β-CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附效果越差。在初始pH值1~3,随着pH值增大,β-CD-MGO的吸附效果显著下降;在初始pH值3~10,随着pH值增大,β-CD-MGO的吸附效果变化不明显。

关键词: 功能化氧化石墨烯; 铬; 吸附

中图分类号:X703.5 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2019)02-0345-03

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铬是一种有毒重金属, 具有很强的毒性和生物蓄积性。铬在废水中以3价铬和6价铬两种稳定态存在, 且6价铬的毒性远大于3价铬。对氧化石墨烯进行磁性和环糊精改性, 制得β -环糊精-磁性氧化石墨烯(β -CD-MGO), 研究其对6价铬(Cr⁶⁺)的去除能力, 并探索了Cr⁶⁺吸附过程中吸附时间、温度、吸附剂用量、pH值等对其吸附效果的影响, 得出最佳吸附条件。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验所使用的氧化石墨烯(GO)购自苏州恒球石墨烯科技有限公司。所需药剂均为分析纯级。

1.2 功能化氧化石墨烯制备

磁性氧化石墨烯(MGO)的制备:在室温下, 配制一定浓度的FeCl₃与FeSO₄溶液, 将其加入氧化石墨烯溶液中, 再加入适量氨水调节pH值为10, 在85 ℃条件下持续搅拌, 冷却至室温, 清洗至中性, 获得磁性氧化石墨烯^[1]。

氨基化环糊精的制备:在室温下, 将环糊精溶解, 加入乙二胺, 40 ℃条件下反应, 得到氨基化环糊精^[2]。

β -环糊精与磁性氧化石墨烯复合物(β -CD-MGO)的制备:将氨水加入MGO溶液中, 室温下搅拌10 min, 再加入氨基化环糊精, 80 ℃下搅拌反应24 h, 将得到的产物用乙醇和超纯水清洗多次, 定容后得到β -CD-MGO复合物^{[3, 4]}。

1.3 处理设计

取一定浓度的Cr⁶⁺溶液于锥形瓶中, 分别加入经预处理的β -CD-MGO, 在30 ℃、pH值为2的条件下, 以180 r· min^-1的转速在往返气浴恒温振荡器中振荡搅拌24 h, 取出过滤, 测定水中残余的Cr⁶⁺浓度, 确定β -CD-MGO吸附Cr⁶⁺的最佳投加量。

取100 mL浓度为20 mg· L^-1的Cr⁶⁺溶液于锥形瓶中, 分别加入最佳投加量的β -CD-MGO, 在30 ℃、pH值为2的条件下, 以180 r· min^-1的转速在往返气浴恒温振荡器中振荡搅拌, 每隔一定时间(5、10、30、60、120、180 min)取出过滤, 测定水中残余的Cr⁶⁺浓度, 直到1 500 min后全部取出过滤, 测完水中残余的Cr⁶⁺浓度, 确定β -CD-MGO吸附Cr⁶⁺的最短吸附时间。

取100 mL 20 mg· L^-1的Cr⁶⁺溶液, 分别加入最佳投加量的β -CD-MGO, 在pH值为2、不同反应温度(30、35、40、45、50 ℃)下, 以180 r· min^-1的转速在往返气浴恒温振荡器中振荡搅拌直至平衡, 取出过滤, 测定水中残余的Cr⁶⁺浓度, 确定β -CD-MGO吸附Cr⁶⁺的最佳反应温度。

取100 mL 20 mg· L^-1的Cr⁶⁺溶液, 用稀硫酸和氨水溶液调节pH值分别为1~10, 加入最佳投加量的β -CD-MGO, 在30 ℃条件下以180 r· min^-1的转速在往返气浴恒温振荡器中振荡搅拌直至平衡, 取出过滤, 测定水中残余的Cr⁶⁺浓度, 确定β -CD-MGO吸附Cr⁶⁺的最佳初始pH值。

2 结果与分析

2.1 吸附剂投加量

如表1所示, 一定浓度范围内, β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附容量随着吸附剂投加量的增大而减小, 吸附容量最大时, β -CD-MGO的投加量为0.1 g· L^-1。据此推测, 若投加量继续减少, 吸附容量可能会继续增大, 但这样一来去除率会显得很小, 不具有实际意义。

表1 β -CD-MGO投加量对Cr⁶⁺吸附容量的影响

2.2 吸附时间

如图1所示, β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附率在0~15 min显著上升, 在15~800 min缓慢上升, 800~1 500 min趋于平缓, 在24 h(1 440 min)左右吸附饱和, 故β -CD-MGO对于Cr⁶⁺的吸附平衡时间约为24 h。

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	图1 吸附时间对于吸附效果的影响

2.3 反应温度

如图2所示, 在30~50 ℃, 随着温度上升, β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附量逐步下降。

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	图2 吸附温度对于吸附效果的影响

2.4 初始pH值

如图3所示, 随着初始pH值从1增大到10, β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附量逐渐减小, 这表明pH值对于β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附具有依赖性。据相关研究报道^{[5, 6]}, 溶液的pH值影响Cr⁶⁺的形态与吸附剂的表面电荷。在低pH值环境中, 带正电的β -CD-MGO表面通过静电引力容易吸引带负电荷的Cr⁶⁺离子(以HCr $O_{4}^{-}$ 形式存在), 然而随着pH值增加, 负电荷积聚在β -CD-MGO表面, 结果导致其与Cr⁶⁺离子(以Cr $O_{4}^{2 -}$ 形式存在)产生静电斥力, 因此降低了Cr⁶⁺的吸附。此外, 在高pH值环境下, 高浓度的OH^-, 可竞争Cr⁶⁺与吸附剂表面离子的结合位点, 导致Cr⁶⁺的吸附减少。

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	图3 初始pH值对于吸附效果的影响

3 小结

本研究显示, 在实验条件下, β -CD-MGO的最佳投加量为0.1 g· L^-1, 最佳吸附时间为24 h, 在30~50 ℃, β -CD-MGO对Cr⁶⁺的吸附量随温度上升而下降。在初始pH值1~3, 随着pH值增大, β -CD-MGO对的Cr⁶⁺的吸附效果显著下降; 在初始pH值3~10, 随着pH值增大, β -CD-MGO的吸附效果变化不明显。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献:

文献选项

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