改性石墨烯对水中亚甲基蓝的吸附性能研究

王晓伟

（太原工业学院，山西 太原 030008）

近年来，中国的综合实力在提高，我国城市化也在向前稳步前进，同时，社会工业化进程也在不断加快，这也就造成大量的工业废水被接连不断地排入干净的河流中，如今水质恶化已经成为了一个非常严重的问题。针对这种情况，国家规定了污水如何达标排放，所以相关工厂在排放废水时就必须先对它们进行一个高效处理。改性石墨烯这时就发挥了它的作用。石墨烯又称为单层石墨，有特殊的内部结构和独特的性能，所以，石墨烯现在是一种十分重要的新材料，而且被广泛地运用在电子、生物和医学等领域。近年来，石墨烯又在污水处理领域得到了重用，这引起了人们的重视，它可以有效地去除水中的复杂成分。此次研究选取了已经改进的石墨烯，并且在其表面添加了一定的活性剂改进其性质，仔细分析最开始对亚甲基蓝的去除效果，为类似污染提供有效的治理措施。

1 材料和方法

石墨粉、仪器和各种化学试剂必须是购自正规公司，质量有一定的保障，另外，实验所用水也必须是超级纯净的水。

石墨烯制备。可以根据Hummers 的方法自己在实验室制作石墨烯，因为制作原料有膨胀的石墨，所以要注意氧化剂和石墨的比例以及控制发生氧化的时间。首先在100mL 的烧杯中加入13mL 浓度比较高的硫酸，待到温度下降到零度后，再放入1.6g 的高锰酸钾和0.25g 的硝酸钠，同时均匀搅拌，再冷却到零度，然后再加入0.25g 的膨胀石墨，在恒温下放置1 天，后再加热直到35℃，同时，用工具搅拌30min，再加入一定量的去离子水，当溶液温度升高到98℃时，再接着均匀搅拌15min，这时就可以看到容器中的液体由原来的黑色变成了金黄色。然后将剩下的氧化剂和适当是双氧水慢慢添加到溶液中，直到溶液不再产生气泡。再将溶液经过物理原理其中的水和强硫酸蒸发，再添加盐酸，直到溶液呈现出中性；当溶液干燥成固体后，再利用它配置成悬浮液，经过超声加工，使得其中大颗粒化解，后再进行过滤，去除其中的杂物。加入特定溶液，密封在一定温度中，24h 后干燥就有了石墨烯。通过一系列的扫描仪器对石墨烯的表面特征进行仔细分析。

具体的实验方法包括以下步骤，将石墨烯放到一定浓度的容量瓶中，振动一定次数后取出来，用过滤膜过滤溶液，用分光法测定其浓度。同样，将大批量的石墨烯和改性石墨烯放到容量瓶中，经过上述步骤，祛除不同浓度的溶液，利用特定的计算公式算出结果。

当前石墨烯企业在我国的发展趋势良好，截至2017 年，在工商部门注册过的与石墨烯相关的企业已经达到了4800多家。具体分布如图1 所示。

图1 2010 ～2017 年中国石墨烯新增企业数量表（家）

2 分析结果

成品的表面特征分析。首先是形貌分析，笔者利用实验室中的显微镜对石墨烯进行了仔细的观察，可以看到它的外表有卷成花瓣的趋势，这种形状如果没有外力的影响会一直保持一个平稳的状态，很难改变，而且这种外在形状通过肉眼也可以清晰地观察到。而改性石墨烯的外表则是鱼鳞形状，而且彼此之间的缝隙也要大于石墨烯的，这主要是因为添加了一定的活性剂，使石墨片变得更薄、间隔更大，所以它的吸附杂质的面积也更大了。又运用投射显微镜对改性前后的石墨烯微观结构进行比较，发现杂乱无序的石墨烯片层层堆积成为石墨烯，其过程是因为在氧化过程中，因为引入了杂化碳原子，使得平面碳层发生变化。另外，石墨烯层本身也具有自发卷堆的特点；活性石墨烯则是薄纱结构，而且它的表面有皱纹。

官能团分析。根据石墨烯和活性石墨烯的红外光图可以看出，CTAB 明显在1558 处出现了较明显的峰顶，也就是说，在此处形成了人们所知道的酰胺键。而改性石墨烯中的官能团其实含量是比较少的，然而不能否认的是它在3433 处也形成了一个比较明显的峰顶，也就是说，改性石墨烯中其实是存在CTAB 的。

层间距分析。根据绘制的石墨烯和活性石墨烯的XRD 光谱图来看，石墨烯的层间距经过计算可以得出是0.33mm，还有一些石墨烯可能因为氧化不彻底在非正常处有比较尖锐的波峰。在改性石墨烯的分析图中，因为CTAB 的含量导致其层间距相对而言比较大，比如，在明显的波峰处经过计算得出的层间距有0.9、0.34 等数据。

热重分析。通过一种专业的热重分析仪器可以准确地测量石墨烯和改性石墨烯中的成分。根据实验研究数据可以看出，普通的石墨烯质量是从100 ～800℃开始稳定下降，质量损失率达到27%，而改性石墨烯只有在200℃左右才有较大的损失，如果是在800℃的高温下，那么其质量损失率高达74%。

3 石墨烯和改性石墨烯对亚甲基蓝的去除

质量不同的石墨烯和改性石墨烯对去除亚甲基蓝有不同的去除作用。先取12 份浓度为100，质量为50 的亚甲基蓝，然后加入0.03、0.06、0.2、0.17、0.3 和0.5 的石墨烯和改性石墨烯，让它们在正常温度条件下自由反应2h，从曲线分析图可以看出，这两种石墨烯对于亚甲基蓝的去除效率都是随着其总量的不断增加而在提高，当总量一样时，可以从图中明显地看出两者之间相对而言还是改性石墨烯对亚甲基蓝的去除率高一些。从两者之间的对比试验可以知道，改性石墨烯中存在的CTAB 并没有吸附亚甲基蓝的作用。当这两种石墨烯添加量在0.1 ～0.2 时，它们去除亚甲基蓝的效率基本上是一致稳定的，最高效率可以达到95%以上。

溶液自身最开始的pH 值对石墨烯和改性石墨烯去除亚甲基蓝的影响。和上述实验一样，取同样质量和浓度的溶液，试着调节他们的pH 值，分别可以调节为2、3、4、5、6、7，再在每份溶液中加入一定量的石墨烯和改性石墨烯，在正常温度下摇晃2h。根据实验分析结果可以看出，石墨烯对亚甲基蓝的吸附性其实很低，当溶液pH 值在2 ～7 时去除率只有仅仅57%。而且很明显，改性石墨烯吸附亚甲基蓝能力十分强，吸附效率可以高达95%以上。所以综上所述，溶液pH 值对于石墨烯和改性石墨烯去除亚甲基蓝的效率基本没有影响。

溶液反应时间对石墨烯和改性石墨烯的影响。类似于上述实验，还是取同样质量和浓度的溶液，这一次是要取20 份，分为两组，然后加入一定质量的石墨烯和改性石墨烯，让他们在同样的温度下发生不同时长的反应。另外再取10 份50mL 的浓度为50 的溶液，这次是加入同样量的改性石墨烯，让它们在同样的温度条件下发生反应后对比结果。根据实验数据知道，它们在不同温度下的时间曲线基本一致，这也就说明其实溶液发生反应的温度对于石墨烯和改性石墨烯吸附能力没有影响。从插图中可以看出发生反应的15min 之内两者效率十分高，而在2h 时反应效应逐渐稳定了，综上可知，若要对石墨烯和改性石墨烯进行亚甲基蓝吸附实验时，反应时间最好是控制在2h 之内。

不同温度下的溶液反应对石墨烯和改性石墨烯去除亚甲基蓝的作用。取同样质量和浓度分别为40、60、80、100、120 的溶液，把他们分为三组，然后加入一定质量的石墨烯和改性石墨烯，让他们分别在不同的温度下发生化学反应。根据实验数据可以得知，随着溶液温度在逐渐升高，石墨烯和改性石墨烯对亚甲基蓝的吸附量反而在不断地降低，所以溶液温度对于吸附性还是有一定影响的。

4 结语

在制作石墨烯的过程中，添加上一定的活性剂，可以使得其底面间距大幅度提高，从而最终在去除亚甲基蓝时效率大大提高，在对比了石墨烯改性前后对水中亚甲基蓝的吸附性能后，可以明显得知，改性石墨烯对其有更大的吸附净化能力。同时，根据所有的实验结果可以得知，若要用改性石墨烯吸附亚甲基蓝，放入量最好是在2g 左右，而反应温度最好是293℃，这时候可以达到更好的吸附作用。