新型吸附剂膨胀石墨的制备及改性方法研究

孙盼盼 雷 雨 张立东

（华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定071000）

膨胀石墨（EG）[1]是以天然鳞片石墨为原料，采用插入剂的插层处理、水洗、干燥、高温膨化等特殊工艺，使鳞片石墨沿层间(c 轴)方向膨化而成的产物，它具有高表面活性、大比表面积、生态环境协调性好等优点，一种优良的多孔碳质吸附材料。随着经济的发展，人们的环保意识越来越强，在环保领域，膨胀石墨的研究近年里陆续开展。基本上由纯碳组成的膨胀石墨具有强吸附性、化学惰性且无毒，不会对环境造成二次污染。

1 实验部分

1.1 实验原料及主要试剂

32 目、50 目、80 目鳞片石墨、硫酸、硝酸、乙醇、乙酸、、氢氧化钠、MgCl2·6H20、高锰酸钾、氯化亚锡、四氯化钛、汞标准贮备液等。

1.2 主要仪器

KQ-250B 型超声清洗器、79HW-1 恒温磁力搅拌器、电热鼓风干燥箱、QM201 荧光测汞仪、电热恒温水浴锅、FE20 型pH 计等。

1.3 试验方法

1.3.1 膨胀石墨制备及性能

按照一定质量比[2-3]称取鳞片石墨、高锰酸钾、硫酸（硝酸）反应物六份（鳞片石墨每种目数各两份），将高锰酸钾分别加入到盛有天然鳞片石墨的烧杯中混匀，再加入稀释好的硫酸（硝酸）。 室温下搅拌反应30 分钟，反应结束后用去离子水水洗至洗涤液呈无色且pH 值在6.0～7.0 之间， 然后将产品在去离子水中浸泡两个小时， 再于烘箱中于60℃～80℃范围内，烘干5 个小时得可膨胀石墨，再分别用微波炉和马弗炉中高温膨胀即得到硫酸（硝酸）插层膨胀石墨。所制得的样品进行吸附Hg2＋和气态汞实验。

1.3.2 改性膨胀石墨制备及性能

首先按照鳞片石墨：高锰酸钾：硫酸（98%）：四氯化钛＝1.0:0.5:3.0:0.35 准备实验用品[4]，在45℃下将鳞片石墨、四氯化钛、高锰酸钾依次加入到浓度为75%的浓硫酸中，搅拌反应60 分钟，水洗至中性，然后将产品置于去离子水中浸泡两个小时，再于60℃～80℃下烘干5 小时，高温膨胀10s 后，得到插钛膨胀石墨。以乙醇为分散剂，采用超声沉淀法[5]制备了纳米氢氧化镁，同时将纳米氢氧化镁负载到硝酸插层的膨胀石墨孔隙中，得到插镁膨胀石墨。然后进行吸附Hg2＋和气态汞实验。

2 结果与讨论

2.1 膨胀石墨性能

表1 不同目数和膨胀方式对硫酸插层的膨胀容积及脱汞率的影响

表1 结果表明，采用硫酸插层处理，使用50 目鳞片石墨为原料、微波炉膨胀制得的膨胀石墨膨胀容积较大，最多达到400 mL/g，马弗炉膨胀制得的膨胀石墨膨胀容积普遍较小；表2 结果表明用微波炉膨胀制得的硝酸插层的膨胀石墨膨胀容积较大， 其中50 目的膨胀容积最大，达到300 mL/g。 使用50 目膨胀石墨为原料、微波炉膨胀制得的膨胀石墨对Hg2＋的吸附率较高，最高达到93%;用马弗炉膨胀的硝酸插层的膨胀石墨对气态汞有较好的脱除效果， 该方法制备的50 目膨胀石墨对22ng 的气态汞吸附效果最好，吸附时间可达7.5h，吸附容量在0.2g/g。

表2 不同目数和膨胀方式对硝酸插层的膨胀容积及脱汞率的影响

2.2 改性膨胀石墨性能

插钛膨胀石墨膨胀容积有所增大，用该膨胀石墨进行吸附Hg2＋和气态汞实验。 实验结果表明，插钛膨胀石墨对Hg2＋的脱除率仅为40%左右，同时，该改性的膨胀石墨同样对气态汞没有脱除效果。插镁膨胀石墨对Hg2＋的脱除率为80%左右，吸附量在1.2g/g，即该种方法改性后的膨胀石墨对Hg2＋的脱除率大大增加。

3 结语

（1）本论文根据现有研究资料，总结了现有的制备膨胀石墨的方法，分别制备了硫酸插层、硝酸插层的膨胀石墨，并制备了插钛膨胀石墨和负载纳米氢氧化镁的膨胀石墨，得出了各种方法制备出的膨胀石墨的膨胀容积， 其中50 目鳞片石墨相比32 目鳞片石墨和80 目鳞片石墨膨胀容积更大。

（2）验证了制得的各种膨胀石墨对汞离子、气态汞的吸附性能，其中50 目微波炉膨胀的硫酸插层的膨胀石墨对Hg2＋的吸附率最高，达到了93%；50 目硝酸插层马弗炉膨胀的膨胀石墨对气态汞的吸附率最高，对22ng 的气态汞吸附可达7.5h，吸附容量在0.2g/g；负载纳米氢氧化镁改性得到的硝酸插层膨胀石墨对Hg2＋的脱除率大大增加，对Hg2＋的吸附率达到了80%。

（3）膨胀石墨作为一种新型吸附剂，它具有网状的孔结构、巨大的比表面积、极弱的极性以及疏水性等特点，而这些特征使得膨胀石墨作为吸附剂时具有很好的选择性[6]，具有很高的研究和应用价值。

［1］M.Inagaki，K.Tashiro,Y.Washino,et al.Exfoliation process of graphite via intercalation compounds with sulfuric acid [J].Journal of Physics and Chemistry of solids,2004,65:133－137.

［2］兆恒，周伟，曹乃珍，等.膨胀石墨的孔隙结构及其在液相吸附/吸着时的变化[J].材料科学与工程，2002,20(2):153－159.

［3］靳通收，马艳然，李强.可膨胀石墨的制备[J].无机化学学报，1997,13(2):231－233.

［4］庞秀言，游婷婷，苏亚娟，陈阳.以四氯化钛为插层剂制备插钛膨胀石墨的实验研究[J].保定：河北大学化学与环境科学学院，2009.

［5］宋克敏,陈希陵,路文义,等.以乙酸酐为反应介质制备低硫可膨胀石墨[J].无机材料学报,1995,10(4):478－482.

［6］陈小文,夏金童,陈宗璋,等.制备低硫高倍数膨胀石墨工艺条件的研究[J].碳素技术,2000,111(6):1－4.