Fe3O4/GO/PPy复合材料的制备及其对2-硝基-1，3-苯二酚的吸附性能

雷李玲 杨清香 赵俊红 张 琰 贾朝阳 路 冉 聂李敏 陈志军

(郑州轻工业大学，郑州 450000)

0 引 言

石油化工、煤化工、塑料、农药及医药等行业排放的含酚废水是一种常见的有机废水，酚类化合物是一类属极性、弱酸性、可离子化的有机化合物，毒性大、难降解，能使蛋白质凝固变性，对生物个体具有毒杀作用。饮用含酚质量浓度高于0.002 mg·g-1的水会对人体造成很大的危害。当水中含酚6.5～9.3 mg·g-1时鱼类会大量死亡，用质量浓度高于100 mg·g-1的含酚废水浇灌农田会引起农作物的减产甚至枯死。因此，一些国家己经将苯酚及其衍生物列为重要的污染物[1]。 2-硝基-1，3-苯二酚(NRC)一般用于制备偶氮染料、染发剂及显形剂的稳定剂，对人体或生物的健康也会产生危害，废水中NRC的标准浓度不能高于10 mg·g-1[2]。含酚废水的处理技术己经引起了世界各国的关注，目前，含酚废水的处理方法主要有生物化学法、化学法及物理法。生物化学技术包括：活性污泥法[3]、酶处理技术[4]及固定化微生物技术[5]；化学法包括：氧化法[6]、沉淀法[7]及光催化法[8]；物理法包括：溶剂萃取法[9]、液膜法[10]及吸附法[12]。其中，吸附法是最有前景的方法之一，传统的吸附工艺中，往往需要专门的吸附设备，如接触式过滤吸附装置、固定床、流化床等，存在设备体积庞大、吸附速率较小、床层利用率较低等问题。而且要分离出吸附剂还有另外增加一个沉降或者离心工艺和设备。而具有吸附和超顺磁性的吸附剂由于不需要专门的吸附设备、沉降及离心分离设备，具有设备体积小、效率高、能耗少、成本低、分离便捷及操作简单等优势，而成为新型吸附剂研究的热点之一。

氧化石墨烯(GO)具有非常大的比表面积，其结构中含有羟基、环氧和羧基等负电荷，这些亲水性含氧官能团使其在超声剥落下容易溶解形成均匀的悬浮液，从而具有从水中分离酚类的潜力[13]。但是GO层间距过小不利于尺寸较大的分子(如：NRC)在其层间迁移，因此影响了GO对这类分子的吸附。聚吡咯(PPy)是一种导电聚合物，其链结构中含有大量仲胺，这些氮原子使PPy聚合物链中存在正电荷，且PPy表面能高，因此能够与阴离子在水溶液中进行离子交换，使其成为理想的吸附剂材料[14]。

采用改进的Hummers法制备了GO，将聚吡咯插入石墨烯层之间制备复合吸附剂，从而增加石墨烯层之间的间距，增大NRC分子在石墨烯层间的迁移速率及吸附的位点数，同时增加了铁离子迁移进石墨烯层间的量，进而制备了Fe3O4/GO/PPy三元复合材料。该材料对NRC具有良好的吸附性能，Fe3O4/GO/Ppy磁性复合物能够很好地分散于水体中，在外部磁场作用下，三元复合粒子能被快速分离，可降低成本，实现简单和快速提取/再生[15]。制备出的Fe3O4/GO/PPy三元复合材料能有效吸附废水中的NRC，在水体或土壤污染治理以及分离纯化领域具有潜在的应用价值。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

无水乙醇、磷酸、氢氧化钠、氯化铁及2-硝基-1，3-苯二酚(NRC)，天津市风船化学试剂有限公司；浓硫酸(98%(w/w))、浓盐酸(36%(w/w))及高锰酸钾，烟台市双双化工有限公司；柠檬酸钠及尿素，天津市科密欧化学试剂有限公司；过氧化氢(30%(w/w))，天津市永大化学试剂有限公司；吡咯，上海麦克林生化科技有限公司。所用试剂均为分析纯，未经纯化直接使用。

紫外-可见光分光光度计 (UV-Vis，TU-1810，北京普析)；高分辨透射电子显微镜 (HRTEM，JEM-2100UHR，日本)，加速电压为200 kV；傅里叶红外光谱仪(FI-TR，Bruker Tensor，德国)，样品用 KBr压片，测量范围为 4 000～400 cm-1；ζ电位分析仪(90Plus Zeta，美国)。采用X射线衍射仪对材料进行物相分析，工作电压40 kV，电流 30 mA，Cu靶Kα射线(λ=0.154 18 nm)，2θ范围为 5°～90°,步长 0.04°。观察样品微观形貌与结构，加速电压为200 kV。

1.2 Fe3O4/GO/PPy三元复合材料的制备

1.2.1 氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯(GO)制备参照文献[9-11]：冰盐浴下，将2.0 g石墨粉缓慢加入69 g的浓硫酸中，再缓慢加入8.0 g高锰酸钾，35℃搅拌12 h后，将264 mL蒸馏水分6次加入，搅拌2 h，最后缓慢加入25 mL的H2O2，搅拌15 min，得黄色分散液，离心分离(5 min，转速8 000 r·min-1)得到黄色粘稠物，用稀盐酸(VHCl∶VH2O=5∶90) 洗涤 6 次，60 ℃干燥， 得到氧化石墨烯。

1.2.2 PPy/GO的制备

PPy/GO通过水热法进行制备：将0.1 g的GO均匀分散在100 mL超纯水中，再加入0.25 mL的吡咯单体，室温搅拌1 h，加入1.5 g的FeCl3·6H2O，室温搅拌 2 h，离心分离(5 min，转速 8 000 r·min-1)，用超纯水洗涤3次、60℃真空干燥12 h，得到褐色PPy/GO二元复合物。

1.2.3 Fe3O4/GO/PPy三元复合材料的制备

Fe3O4/GO/PPy三元复合材料通过水热法进行制备：将0.18 g PPy/GO均匀分散于41.4 mL超纯水中，再分别加入2.232 3 g的柠檬酸钠和0.220 0 g的 FeCl3·6H2O，室温磁搅拌 30 min，加入 0.127 1 g的尿素，室温磁搅拌1 h后，转入反应釜，200℃下反应12 h，降至室温后，用超纯水洗至中性，冷冻干燥6 h，得黑色Fe3O4/GO/PPy三元复合材料。

1.3 Fe3O4/GO/PPy三元复合材料对NRC的吸附实验

1.3.1 NRC的Abs-浓度标准曲线

图1a是不同浓度的NRC水溶液的紫外-可见吸收光谱，从图1a可以看出，NRC分子在315 nm处有个明显的吸收峰。分别测定已知浓度的NRC在315 nm处吸收峰值，并以废水中NRC的浓度为横坐标作图，做线性回归，得到紫外吸光度与浓度的关系曲线(图1(b))。由图可知，NRC标准曲线方程为y=0.032 06+0.015 89x，相关系数达到0.998。

1.3.2 吸附性能研究

将所制备的一定量三元复合材料分散于一定浓度的分析级的NRC水溶液中，室温水平摇床震荡一段时间后，磁分离出三元复合物，测定水溶液中NRC的紫外-可见吸收光谱，然后通过标准曲线计算NRC溶液浓度，利用公式1计算吸附量qe：

其中 qe(mg·g-1)表示 t(min)时的吸附量，C0和 Ce(mg·L-1)分别是NRC的吸附前的初始浓度和吸附后的残留浓度，V(L)为NRC溶液体积，W(g)为三元复合吸附剂用量。

图1 NRC的(a)紫外-可见吸收光谱和(b)标准浓度曲线Fig.1 UV-Vis absorption spectra(a)and standard concentration curve(b)of NRC

2 结果与讨论

2.1 TEM分析

图2是复合物的TEM图。从图2(a)可以看出，三元复合物为三维网络多层复合结构，Fe3O4颗粒无规地镶嵌在石墨烯片层之间。GO片层间有PPy以不规则的颗粒穿插其中，PPy颗粒与Fe3O4颗粒分别镶嵌于石墨烯片之间(图2(b))。图2(c)表明Fe3O4为多面体晶体结构，多面体尺寸在100～300 nm范围。图2(d)显示石墨烯片层间的Fe3O4与PPy颗粒存在紧密接触的界面，但没有形成包覆结构。

2.2 FT-IR及XRD

图 2 (a～d)Fe3O4/GO/PPy的 TEM 图Fig.2 (a～d)TEM images of Fe3O4/GO/PPy

图3 是Fe3O4/GO/PPy的FT-IR谱图，在3 070 cm-1处吸收峰可能是由-OH振动产生的峰，1 725 cm-1处是由-C=O和-COOH羰基伸缩振动引起的[16]，1 531 cm-1处出现的吸收峰与GO和PPy环中的C=C的伸缩振动有关，1 367 cm-1处吸收峰对应于吡咯环结构中的C-N键伸缩振动[17-18]，1 160 cm-1处的峰是GO环中的C-O-C键的红外吸收[19]，1 030 cm-1处一个很强的吸收峰对应吡咯环中的C-H和N-H键的面内变形振动[18-19]，765 cm-1处的吸附带与吡咯的C-H变形和平面外振动或吡咯摇摆振动有关[17,20]，553 cm-1处吸收峰对应Fe-O键的伸缩振动，这些特征峰和聚吡咯、GO及Fe3O4的部分特征吸收相一致，说明在GO层中“插入”了PPy粒子，且复合物中存在GO、PPy及Fe3O4[21]。

图3 Fe3O4/GO/PPy的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of the Fe3O4/GO/PPy

图4 (a)为GO的 XRD图，图中显示在 11.4°和42.8°之间出现了典型的GO型二次激发峰，尖锐的峰表明GO拥有高度无序的层堆叠结构；图4(b)为PPy的XRD图，26.0°附近出现1个明显的弥散峰，归属于无定形PPy的特征峰；图4(c)是Fe3O4/GO/PPy 的 XRD 图， 图中 30°、35°、42.9°、57.0°和 62.5°处的5个峰对应于磁性Fe3O4/GO/PPy中铁氧化物Fe3O4(PDF No.19-0629)的特征性衍射峰[22]。Fe3O4/GO/PPy复合物中GO的特征峰基本消失，这可能是由于复合物中的GO层变得更加无序[23]。同时复合物中PPy位于26.0°处弥散也弱化了，这可能是受Fe3O4的强二价峰影响，导致宽峰较之前弱。红外光谱、XRD及TEM结果表明所制备的Fe3O4/GO/PPy样品为三元复合结构。

图4 (a)GO、(b)PPy/GO及(c)Fe3O4/GO/PPy的XRD图Fig.4 XRD patterns of(a)GO,(b)PPy/GO and(c)Fe3O4/GO/PPy

2.3 磁性能分析

通过振动样品磁力仪 (VSM)分析了Fe3O4/GO/PPy的磁性性质。图5为所制备的三元复合材料的磁滞回线，从矫顽力和剩磁极低可以推断该材料具有超顺磁性[24]，其饱和磁化强度为 32.81 emu·g-1。图5插图是三元复合粒子在水中分散及在外磁场下的磁分离过程的光学照片，从图可见，吸附剂能够很好地分散于水体中，且在外部磁场作用下，三元复合粒子在40 s内被快速分离，说明该材料能够在水体中分散且能够实现快速磁分离。

图5 Fe3O4/GO/PPy的磁滞回线Fig.5 Magnetic hysteresis loops of the Fe3O4/GO/PPy

2.4 Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附性能

2.4.1 吸附性能比较

图6中3条吸附曲线分别对应于GO(a)、Fe3O4/GO/PPy(b)及GO/PPy(c)对不同浓度的NRC的吸附量，当NRC初始浓度由50 mg·L-1增加到200 mg·L-1，随着C0的增加，3种材料对NRC的吸附量均增加明显。当NRC浓度高于200 mg·L-1时，随着浓度的增加，吸附量虽然有增加，但增加的不够明显。在相同NRC浓度下，3种材料的吸附量以二元复合物GO/PPy的吸附量最大，GO吸附量最低。这可能是由于在GO层中“插”入的PPy粒子，虽然增加了石墨烯片层间的距离，有利于NRC分子迁移进石墨烯片层间，且一定尺寸的PPy粒子“插入”石墨烯层中增加了吸附位点数量，但在二元复合物中再“镶嵌”进Fe3O4粒子后增加了三元材料的密度，使得吸附量略微低于二元复合粒子。三元复合粒子对NRC最大吸附量为 163.3 mg·g-1。

图 6 (a)GO、(b)Fe3O4/GO/PPy、(c)GO/PPy对 NRC 吸附性能受初始酚浓度(C NRC)的影响关系图Fig.6 Effect of initial phenolic concentration(C NRC)on adsorption capacity of(a)GO,(b)Fe3O4/GO/PPy and(c)GO/PPy

表1为文献中报道的不同吸附剂对酚类吸附性能的比较，由表可知，合成的磁性Fe3O4/GO/PPy复合材料不仅具有超顺磁性能及实现快速磁分离简便操作，还能达到比较理想的吸附效果。

为了建立三元磁粒子吸附NRC的最佳吸附条件，实验中分别考察了吸附时间及动力学、吸附剂用量、NRC浓度及pH和温度对吸附性能的影响。

2.4.2 吸附动力学

图 7(a)是 NRC的浓度为 200 mg·L-1，吸附剂用量为15 mg·L-1时，不同吸附时间下Fe3O4/GO/PPy吸附后残留液的紫外-可见吸收光谱，图中显示，随着吸附时间的增加，残留液的吸光度逐渐减小，表明NRC浓度随吸附时间的增多而减小。利用NRC浓度与吸光度的标准曲线图1(b)，计算不同吸附时间残留液NRC的浓度Ce，分别将C0、Ce及V代入公式(1)，得到不同吸附时间下Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附量qe，作图得到图7(b)。图7(b)显示，随着吸附时间的延长，吸附量逐渐升高，在60 min以内，NRC浓度前后差值变化较小，在之后浓度差值变化较大，但在吸附时间达到6 h后，吸附量变化很少，基本达到饱和，吸附基本达到平衡。在经过6 h的吸附时间下，三元复合物对NRC的吸附量达到157.7 mg·g-1。

表1 不同吸附剂对酚类吸附容量的比较Table 1 Comparison of the adsorption capacity of phenols with other adsorbents

将平衡吸附量qe、t时间吸附量及吸附时间t分别代入伪一级动力学(2)及伪二级动力学模型(3)：

上两式中qe表示伪一级动力学模型的平衡吸附量(mg·g-1)、t表示吸附时间(min)、qt是在吸附时间为 t时的瞬时吸附量(mg·g-1)、k1表示伪一级动力学模型的吸附速率常数 (min-1)、k2表示伪二级动力学模型的吸附速率常数(g·mg-1·min-1)。 图 8(a，b)分别是伪一级动力学及伪二级动力学的线性拟合图。吸附动力学不仅可以给出吸附量与接触时间之间的明确关系[17]，而且可以为研究相关参数数值变化以及NRC的吸附动力学过程提供必要的信息。

表2中数据表明二阶动力学模型的线性回归系数(R22=0.996)高于一级动力学模型(R12=0.992)，二级的相关系数R2大于一级的，同时理论上的qe=172.4 mg·g-1与实际吸附量 qe=157.696 mg·g-1(t=300 min时)相近，由此可知本实验的吸附过程更符合二级动力学模型，因此，该吸附过程涉及到一些化学吸附。

图7 (a)不同吸附时间的紫外-可见吸收光谱及(b)吸附量与吸附时间的关系图Fig.7 (a)Time dependent UV-Vis spectra of adsorbing NRCwith Fe3O4/GO/PPy and(b)plot of adsorption amount of NRCvs time

图8 Fe3O4/GO/PPy对NRC吸附拟合的动力学曲线Fig.8 Fitting of the adsorption kinetics for NRCon Fe3O4/GO/PPy

表2 Fe3O4/GO/PPy对NRC吸附的动力学拟合结果Table 2 Fitting results of kinetics of Fe3O4/GO/PPy for the adsorption of NRC

2.4.3 吸附剂用量的影响

根据图9所示，在pH=5±0.05，废水温度为318 K， 吸附时间为 6 h，NRC 浓度为 200 mg·L-1时，当吸附剂用量为7～9 mg·L-1范围内，吸附量增加趋势明显；吸附剂用量为10 mg·L-1时，增加趋势最大，此时最大吸附量为72.3 mg·g-1；在用量为11～12 mg·L-1时，吸附量相比 10 mg·L-1有所下降。

图9 吸附剂用量对吸附剂吸附能力的影响Fig.9 Effect of the amount of adsorbent on the adsorbent

2.4.4 pH对吸附性能的影响

水处理中，pH是一个关键的因素，pH对吸附剂的影响是研究吸附剂性能的一个重要环节。由图10(a)所示，在吸附剂量为10 mg·L-1时，废水温度为318 K，吸附时间为 6 h，NRC 浓度为 200 mg·L-1时，pH值影响着吸附剂的吸附性能。在pH=2～8范围内，Fe3O4/GO/PPy对NRC有不同的吸附值；当pH=2～4时，随着pH值的逐渐增加，Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附量逐渐减少；当pH=5±0.05时，Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附量达到最高，为112.1 mg·g-1；当 pH=6～8时，随着pH 值的递增 Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附量逐渐减少，减少的趋势明显大于酸性条件下的。因此酸性条件对Fe3O4/GO/PPy吸附NRC更有利。

为了进一步了解Fe3O4/GO/PPy的吸附性能，对其做了ζ电位测试。溶液中的pH值对吸附剂表面官能团的离子态有很强的影响[26]。图10(b)表示Fe3O4/GO/PPy的ζ电位随pH值变化的曲线图，从图可以看出，等电点在pH=3.0，表明pH＞3时复合物带负电荷，pH＜3时复合物带负电荷。

综上所述，三元复合物对NRC的吸附中不仅包括物理吸附，还可能存在静电力和氢键作用，即包括物理吸附和化学吸附。

2.4.5 循环性能

实验考察了Fe3O4/GO/PPy磁性材料对NRC吸附的可重复使用性。NRC的初始浓度为200 mg·L-1， 吸附剂投加量为 10 mg·L-1，298 K 条件下吸附时间为6 h，pH=5±0.05，反应后计算NRC的去除率。同时，将饱和吸附的Fe3O4/GO/PPy磁性材料浸泡于pH=4的酸性乙醇中振荡12 h，磁分离后用去离子水洗涤3次，干燥烘干后进行下一次吸附实验，循环使用结果如图12所示。循环使用5次后，NRC的去除率由最初的91.6%下降至77.6%，说明Fe3O4/GO/PPy磁性复合物的结构具有较好的稳定性和耐久性，且可以再生重复利用。

图10 (a)不同pH值对吸附剂的影响;(b)三元复合物的ζ电位变化图Fig.10 (a)Effect of different pH values on the adsorbent and(b)ζpotential change of the ternary complex

图11 Fe3O4/GO/PPy吸附NRC的循环实验Fig.11 Reusability study for adsorption of NRConto Fe3O4/GO/PPy

3 结 论

首次制备了Fe3O4/GO/PPy三元复合物并用于吸附含NRC的废水，对复合物进行了UV-Vis、TEM、XRD、VSM等表征和性能测定。所制备材料为三维网络多层复合结构，Fe3O4颗粒为多面体晶体结构，多面体尺寸在100～300 nm，且无规地镶嵌在石墨烯片层之间；石墨烯片层间的Fe3O4与PPy颗粒存在紧密接触的界面；Fe3O4/GO/PPy具有超顺磁性，在水体中具有良好的分散性，在外加磁场下，40 s可以磁分离；废水中NRC浓度为200 mg·L-1、pH=5.00±0.05、T=318.15 K、 吸附剂用量 10 mg·L-1和吸附时间6 h的条件下Fe3O4/GO/PPy对NRC的吸附量最大，达到163.3 mg·g-1，NRC吸附动力学符合二级动力学模型，吸附等温线符合Langmuir模型。循环使用5次后，NRC的去除率由最初的91.6%下降至77.6%，说明Fe3O4/GO/PPy磁性复合物的结构具有较好的稳定性，且可以再生重复利用。对该材料的深入研究有望开发出一类可以有效吸附酚类分子且能快速磁分离的新型吸附材料。