膨脹石墨對羅丹明B水溶液的吸附性能研究

1、.膨脹石墨對羅丹明B水溶液的吸附性能研究傅修軍1，雷獻(xiàn)超1，嫦娥1，張昆1，王亦寧1，康 雨1，王麗琴1,*，齊效文2（1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）:摘 要：本文以天然鱗片石墨為原料、雙氧水為氧化劑、濃硫酸為插層劑，采用化學(xué)氧化法制得可膨脹石墨，并通過微波膨化方式得到膨脹石墨。同時，以染料羅丹明B水溶液為吸附質(zhì)，研究了膨脹石墨的吸附性能。通過系統(tǒng)地考察膨脹石墨的膨脹容積及用量、羅丹明B水溶液的濃度和吸附方式等影響因素，確定出膨脹石墨吸附羅丹明B水溶液的最佳工藝條件為：膨脹石墨的膨脹容積350 mL/g，

2、膨脹石墨用量0.02 g，羅丹明B水溶液的濃度4 mg/L，磁力攪拌條件下吸附240 min后，膨脹石墨對羅丹明B水溶液的吸附量可達(dá)23.55 mg/g。關(guān)鍵詞：天然鱗片石墨；膨脹石墨；羅丹明B；吸附性能 中圖分類號：TG333.170 引言石墨晶體具有層狀結(jié)構(gòu)1，在強(qiáng)氧化劑作用下，石墨層間失去較活潑的電子而被氧化，網(wǎng)狀平面大分子轉(zhuǎn)變成帶有正電荷的平面大分子，使具有極性的插入劑(酸、堿、鹵素)分子或離子插入石墨層間，與碳網(wǎng)平面形成石墨層間化合物（Graphite Intercalation Compounds，簡稱 GICs），即可膨脹石墨2?？膳蛎浭诩訜岬竭m當(dāng)溫度時，可瞬間迅速分解，使石

3、墨沿C軸方向膨脹成蠕蟲狀的新物質(zhì)，即膨脹石墨3（Expanded Graphite，簡稱EG）。膨脹石墨新型碳素材料不僅具備了天然石墨本身的耐熱、耐腐蝕、耐輻射、導(dǎo)電、自潤滑等優(yōu)良特性，而且還具備了天然石墨不具備的輕質(zhì)、柔軟、多孔、可壓縮、回彈等性能4,5。作為一種重要的無機(jī)非金屬材料，膨脹石墨材料廣泛應(yīng)用于環(huán)境、化工、冶金、動力機(jī)械、宇航及原子能工業(yè)，顯示了強(qiáng)大的生命力和市場應(yīng)用前景6-9。 采用傳統(tǒng)高溫膨化法制備的膨脹石墨，升至高溫需要一定的時間，且膨脹過程中電能的消耗較大。石墨具有導(dǎo)電性，在微波作用下，可膨脹石墨的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的渦電流，具有劇烈的加熱效應(yīng)，使可膨脹石墨中的插入物急劇分解

4、和揮發(fā)，并劇烈膨脹，從而形成膨脹石墨。通過采用微波對石墨進(jìn)行膨化處理，操作方便，過程易控，具有高效和節(jié)能的優(yōu)點10,11。賴奇等12,13采用微波加熱法成功制備了膨脹石墨，考察了微波功率、膨脹時間以及石墨粒度對膨脹體積的影響，并且發(fā)現(xiàn)微波加熱法制得的可膨脹石墨產(chǎn)品的含硫量比傳統(tǒng)加熱方法低。馬烽等14以濃硫酸為插入劑，高錳酸鉀為氧化劑用化學(xué)方法制備出石墨插層化合物，并用微波進(jìn)行了膨化，結(jié)果表明微波膨化比傳統(tǒng)高溫膨化效果好。 膨脹石墨作為一種疏松多孔的炭質(zhì)吸附材料，其孔結(jié)構(gòu)多為中、大型孔，對水中的腐殖酸、致癌物質(zhì)三氯甲烷、有機(jī)分子、生物大分子等具有很好的吸附功能15, 16。在液相吸附中它親油疏水

5、，是一種很有前途的清除水面油污染的環(huán)保材料17,18。目前，對膨脹石墨吸油性能的研究較為廣泛，但系統(tǒng)研究膨脹石墨對染料廢水吸附性能的報道還不多。本文采用化學(xué)氧化法并結(jié)合微波膨化制得膨脹石墨，以染料羅丹明B水溶液為吸附質(zhì)，研究了膨脹石墨的吸附性能。*河北省科技支撐項目（項目編號：12276716D）；燕山大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練項目（項目編號：201210216005）1 實驗部分1.1 實驗所用藥品與儀器天然鱗片石墨（35目），雙氧水（分析純，30 wt.%），濃硫酸（分析純，98 wt.%），羅丹明B。FA2004N型電子天平，HH-S型水浴鍋，SHZ-D（）型循環(huán)水式真空泵，101-2AB型電熱鼓風(fēng)干

6、燥箱，WP700TL23-K5型格蘭仕微波爐。1.2 膨脹石墨的制備方法稱取天然鱗片石墨6 g置于250 mL燒杯中，然后加入一定量的雙氧水和一定量的濃硫酸并攪拌均勻；將得到的均勻混合物置于恒溫水浴中，間歇攪拌反應(yīng)一段時間后，取出燒杯冷卻至室溫；將燒杯中得到的產(chǎn)物用蒸餾水抽濾、洗滌，當(dāng)濾液pH為5-7時，將洗滌后的產(chǎn)物在80 下干燥6 h，得到可膨脹石墨；最后將可膨脹石墨在微波爐中膨化，即得膨脹石墨（EG）。1.3 膨脹石墨對羅丹明B水溶液的吸附性能測試稱取0.04 g EG加入到150 mL、4 mg/L的羅丹明B水溶液中，在磁力攪拌下進(jìn)行吸附試驗，每隔30 min取液一次。將所取溶液過濾后

7、，并離心分離10 min，通過722s可見分光光度計測定其上清液的吸光度，每組重復(fù)測定兩次，取其平均值作記錄。測定吸光度時的波長設(shè)置為554 nm（羅丹明B的最大吸收波長），羅丹明B水溶液的脫色率用如下公式計算： (1)式中，A0為羅丹明B水溶液的初始吸光度，A為羅丹明B水溶液被吸附一段時間后的吸光度。2 結(jié)果與討論2.1 羅丹明B水溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖1 羅丹明B水溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of Rhodamine B aqueous solution以蒸餾水為溶劑，配制濃度分別為1 mg/L、2 mg/L、2.5 mg/L、3 mg/L、4 mg/L和5

8、mg/L的羅丹明B水溶液，并通過722s可見分光光度計測出其相應(yīng)的吸光度。將濃度與吸光度利用線性擬合的方法作圖，見圖1。如圖所示，羅丹明B水溶液的濃度和吸光度之間符合線性關(guān)系，即： (2)相關(guān)系數(shù)R2=99.93%，符合精度要求。因此，通過公式（2），代入羅丹明B水溶液某一時刻吸光度的數(shù)值即可求得該時刻羅丹明B水溶液的濃度值。膨脹石墨對羅丹明B吸附量的計算公式如下： (3)式中，q吸附量，mg/g；C0羅丹明B水溶液的初始濃度，mg/L；Ct羅丹明B水溶液被吸附一段時間后的濃度，mg/L；V羅丹明B水溶液的初始體積（近似看作保持不變），L；m膨脹石墨的質(zhì)量，g。2.2 膨脹容積對膨脹石墨吸附性

9、能的影響圖2 膨脹容積對膨脹石墨吸附性能的影響Fig.2 The effect of expanded volume on the adsorptive property of EG膨脹容積對膨脹石墨吸附性能的影響結(jié)果如圖2所示。隨著吸附時間的延長，羅丹明B水溶液的脫色率不斷增大，吸附180 min后，脫色率變化平緩。隨著EG膨脹容積的增大，EG對羅丹明B水溶液的脫色率并未呈現(xiàn)出一直遞增的趨勢。當(dāng)EG的膨脹容積為250 mL/g時，EG對羅丹明B水溶液的脫色效果最好，吸附時間為240 min時，羅丹明B水溶液的脫色率可達(dá)78.02%。由公式(2)和(3)，可以算出膨脹容積為150 mL/g、2

10、00 mL/g、250 mL/g、300 mL/g和350 mL/g的EG，吸附240 min時，對羅丹明B水溶液的吸附量分別為6.90 mg/g、5.81 mg/g、11.14 mg/g、10.99 mg/g和10.05 mg/g?？梢?，脫色效果好的EG，相應(yīng)地吸附量也多。EG為網(wǎng)絡(luò)狀孔隙結(jié)構(gòu)，膨脹容積越大，EG的孔道發(fā)展得越充分，對羅丹明B分子的吸附而言，主要取決于EG的第三、四級孔，但膨脹容積大并非其第三、四級孔就越多。因此，并非膨脹容積越大吸附效果就越好。2.3 膨脹石墨用量對膨脹石墨吸附性能的影響圖3 膨脹石墨用量對膨脹石墨吸附性能的影響Fig.3 The effect of dos

11、age of EG on the adsorptive property of EG圖3為膨脹石墨用量對膨脹石墨吸附性能的影響。如圖所示，吸附相同的羅丹明B水溶液時，EG的用量越多，EG對羅丹明B水溶液的脫色效果越好。當(dāng)EG的用量為0.10 g時，吸附240 min后，羅丹明B水溶液的脫色率可達(dá)96.67%。通過公式(2)和(3)，可以算出EG的用量為0.02 g、0.04 g、0.06 g、0.08 g和0.10 g時, 經(jīng)過240 min的吸附后，對羅丹明B水溶液的吸附量分別為23.55 mg/g、11.89 mg/g、8.80 mg/g、6.54 mg/g和5.28 mg/g。通過分析發(fā)

12、現(xiàn)，EG的用量越多，其對羅丹明B水溶液的吸附量反而越少。其實這并不矛盾，因為當(dāng)羅丹明B水溶液相同時，EG的用量越多，其單位質(zhì)量的EG接觸到的羅丹明B分子越少，在羅丹明B分子不能滿足吸附飽和的情況下，單位質(zhì)量的EG對羅丹明B水溶液的吸附量也就越少。2.4 羅丹明B水溶液濃度對膨脹石墨吸附性能的影響圖4 羅丹明B水溶液濃度對膨脹石墨吸附性能的影響Fig.4 The effect of concentration of Rhodamine B on the adsorptive property of EG圖4給出了羅丹明B水溶液濃度對膨脹石墨吸附性能的影響。如圖所示，隨著羅丹明B水溶液濃度的增大，

13、其脫色率逐漸減小。當(dāng)羅丹明B水溶液的濃度為1 mg/L時，被吸附90 min后，脫色率可達(dá)91.84%；當(dāng)羅丹明B水溶液的濃度為5 mg/L時，被吸附240 min后，脫色率才為70.00%。通過公式(2)和(3)，可以算出羅丹明B水溶液濃度為1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L和5 mg/L時，經(jīng)過240 min的吸附后，EG對羅丹明B水溶液的吸附量分別為3.53 mg/g、6.56 mg/g、9.34 mg/g、10.69 mg/g和16.50 mg/g。通過對比分析，隨著羅丹明B水溶液濃度的增大，EG對其吸附量的趨勢與脫色率的趨勢正好相反，其實這并不矛盾。因為對于相同用

14、量的EG，當(dāng)羅丹明B水溶液的濃度越大，單位質(zhì)量的EG周圍的羅丹明B分子就越多，從而單位質(zhì)量的EG對羅丹明B水溶液的吸附量也就越大。而羅丹明B水溶液的濃度越大，其中所含的羅丹明B分子就越多，在相同的吸附時間內(nèi)，羅丹明B水溶液的脫色率也隨之將低。 2.5 吸附方式對膨脹石墨吸附性能的影響圖5 吸附方式對膨脹石墨吸附性能的影響Fig.5 The effect of adsorption ways on the adsorptive property of EG圖5為吸附方式對膨脹石墨吸附性能的影響。如圖所示，在磁力攪拌作用下EG對羅丹明B水溶液的脫色效果遠(yuǎn)高于靜置吸附下的脫色效果。在磁力攪拌作用下，

15、吸附240 min后，羅丹明B水溶液的脫色率可達(dá)83.89%。在靜置條件下吸附240min后，羅丹明B水溶液的脫色率為26.44%，二者相差57.45%。利用公式(2)和(3)，可以計算出磁力攪拌和靜置吸附下EG對羅丹明B水溶液的吸附量分別為11.89 mg/g和3.60 mg/g。出現(xiàn)這種差異的原因如下：EG的密度比羅丹明B水溶液的密度要小的多，靜置情況下EG會完全漂浮在羅丹明B水溶液的液面上，這樣EG和羅丹明B分子就不能充分接觸，吸附效果自然就會很差。在磁力攪拌作用下，EG和羅丹明B分子可充分接觸，同時，大顆粒的EG被打斷為更多的小顆粒，EG的第三級孔和第四級孔的數(shù)量隨之增多，這都將有利于

16、提高EG對羅丹明B分子的吸附性能。3 結(jié)論本文以染料羅丹明B水溶液為吸附質(zhì)，研究了膨脹石墨的吸附性能。通過系統(tǒng)考察膨脹石墨的膨脹容積及用量、羅丹明B水溶液的濃度和吸附方式等影響因素，確定出膨脹石墨吸附羅丹明B水溶液的最佳工藝條件為：膨脹石墨的膨脹容積350 mL/g，膨脹石墨用量0.02 g，羅丹明B水溶液的濃度4 mg/L，磁力攪拌條件下吸附240 min后，膨脹石墨對羅丹明B水溶液的吸附量可達(dá)23.55 mg/g。參考文獻(xiàn)1于仁光,喬小晶.納米復(fù)合材料-可膨脹石墨的合成及應(yīng)用J.材料導(dǎo)報,2003,17(專輯):125.2張倩,高欣寶,高敏,等.納米復(fù)合材料-石墨層間化合物研究進(jìn)展J.材料

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25、 Xiu-jun1, LEI Xian-chao1, CHANG E1, ZHANG Kun1, WANG Yi-ning1, KANG Yu1, WANG Li-qin1,*, QI Xiao-wen2(1. College of Environmental and Chemical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China; 2. College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China) Abstract: In this paper, natural flake graphite, hydrogen peroxide and concentrated sulfuric acid were used as carbon source, oxidant and intercalator, respectively. Expandab