胡忠良,崔厚泉,朱裔荣,李朝晖
(1.湖南工业大学 材料与先进制造学院,湖南 株洲 412007;2.湘潭大学 化学学院,湖南 湘潭 411105)
近年来,随着我国国民经济的高速增长、工业化进程的加快及城市化水平的提高,有机物、重金属废水污染问题在我国变得越来越严重,水中这些污染物毒性大,会引发恶性肿瘤、肾脏衰竭、新陈代谢失调及中枢神经系统紊乱等疾病,对人们的生命和健康构成了严重的威胁[1-2]。目前除去水中污染物的方法有离子交换法、共沉淀法、膜过滤法、萃取法、生化法及吸附法等[3-7]。其中,吸附法具有成本较低、操作简单、不产生二次污染和容易再生等优点,被认为是极具潜力的废水处理方法[8]。
吸附法的关键在于制备出高性能的吸附剂材料,理想的吸附剂要求具有较高的吸附量、回收方便、结构稳定和容易再生等特点。近年来,因石墨烯具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、高的机械强度、稳定的化学性质及超高的比表面积等突出优点,得到了研究者的关注。而且与石墨烯结构类似的碳纳米管材料相比,其不仅表现出了良好的吸附性能、更大的比表面积,而且更易进行结构的调控和设计[9-12],石墨烯材料作为水处理吸附材料的应用前景值得期待,成为相关领域的研究热点。
石墨烯类材料对废水中污染物具有良好的吸附性能[13-15],但石墨烯或氧化石墨烯(graphene oxide,GO)材料在溶液中易发生片层聚集而降低其性能,且吸附污染物后难以从溶液中分离[16]。对石墨烯进行功能化设计或与其他材料复合,能有效解决以上问题。Fe3O4具有优异的磁性,且制备工艺简单,和(氧化)石墨烯复合,从而使复合材料在水溶液中能在外加磁场下快速分离,同时,(氧化)石墨烯也因Fe3O4的阻隔而不会重新堆积形成石墨结构,从而在吸附过程中保持结构稳定。
本文采用氧化石墨烯和Fe3O4为前驱体,在Fe3O4表面引入亲水基团,通过结构设计,在球形磁性纳米粒子表面,包覆一层氧化石墨烯,从而形成具有核壳结构的氧化石墨烯复合材料。该复合材料能够很好地克服(氧化)石墨烯吸附剂的缺陷,吸附污染物后能够快速与溶液分离。为测试复合材料的吸附性能,以典型的染料亚甲基蓝为吸附质,对其吸附性能进行了模拟吸附研究。
1)实验试剂和材料。六水氯化铁(FeCl3·6H2O);聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG),分子量为4 000;原硅酸四乙酯(tetraethyl orthosilicate,TEOS);3-氨丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyl triethoxysilane,APTES);1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride,EDC);N-羟基丁二酰亚胺(n-hydroxysuccinimide,NHS);三水乙酸钠(NaAc·3H2O);乙二醇;浓氨水(质量分数为28%);异丙醇;亚甲基蓝(methylene blue,MB);均为分析纯试剂,购于上海国药集团化学试剂有限公司。
2)仪器。X-射线衍射仪(diffraction of X-rays,XRD),D8 Advanced 型,德国Bruker 公司生产;扫描电镜(scanning electron microscope,SEM),JSM-6360LV 型,日本电子株式会社生产;透射电镜(transmission electron microscope,TEM),Tecnai G2 F20 型,美国FEI 公司生产;傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FTIR),Spectrum One 型,美国PerkinElmer 公司生产;振动 样 品 磁 强 计(vibrating sample magnetometer,VSM),7407,美国Lakeshore 公司生产。
1)Fe3O4制备。采用水热法制备Fe3O4纳米粒 子。将1.35 g FeCl3·6H2O 和1.0 g 的PEG 加 入装有40 mL 乙二醇溶液烧杯中,于80 ℃的油浴锅中加热搅拌0.5 h,得到澄清溶液;接着加入3.6 g NaAc·3H2O 和5 mL 蒸馏水,搅拌使NaAc 完全溶解后,将其转入100 mL 不锈钢反应釜中,在200 ℃下反应8 h,之后离心分离,用蒸馏水洗涤3 次,最后在60 ℃下干燥6 h,得到Fe3O4纳米粒子。
2)Fe3O4的表面改性。为了更好地被氧化石墨烯包覆,需要在Fe3O4表面进行SiO2沉积及表面氨基化处理。采用改进的Stoker 法沉积SiO2层[17],将1.4 g制备的Fe3O4加入含有5 mL 浓氨水的乙醇溶液中,在60 ℃水浴中搅拌反应15 min 后,加入4 mL TEOS,之后继续反应8 h。反应产物用蒸馏水和乙醇洗涤后用磁铁分离,然后在60 ℃下干燥6 h,得到的样品为Fe3O4@SiO2。称取1.0 g Fe3O4@SiO2,加入40 mL 蒸馏水、100 mL 异丙醇和2 mL APTES 的混合溶液中,将混合溶液移入烧瓶中,在溶液中持续通入氮气0.5 h,在水浴中加热并搅拌反应6 h 后,用蒸馏水洗涤,用磁铁分离,得到的样品标为Fe3O4@SiO2-NH2。
3)核壳结构Fe3O4@SiO2@GO 的制备。首先,按照Hummers 法制备氧化石墨[18]。称取20 mg 氧化石墨,分散在60 mL 的去离子水中,并超声处理1 h,将该溶液的pH 值用缓冲溶液调为5.5,得到GO 溶液。接着将10 mg EDC 和8 mg NHS 同时加入GO 溶液中,搅拌0.5 h 后超声处理0.5 h。最后,在上述混合溶液中加入20 mg Fe3O4@SiO2-NH2,超声0.5 h 于80 ℃反应1 h,得到的产物用蒸馏水洗涤3 次,在60 ℃的真空干燥6 h,得到Fe3O4@SiO2@GO,该样品为具核壳结构磁性氧化石墨烯材料。
采用X-射线衍射仪对样品的结构、晶型进行分析,衍射光源为Cu-Kα;采用扫描电镜观察样品形貌。采用透射电镜分析样品的组织结构和形状;采用傅里叶红外光谱分析样品中官能团、化学键分布,分析的波数范围为4 000~400 cm-1;采用振动样品磁强计对样品磁性进行测量。
Fe3O4@SiO2@GO 吸附MB 测试实验在25 ℃进行。将10 mg 的吸附剂加入25 mL 已知MB 浓度的试管中,于200 r/min 的转速下振动12 h,达到吸附平衡后,用磁铁将吸附剂与溶液分离。为测试溶液pH 值对吸附性能的影响,加入吸附剂后MB 溶液的pH 值 用0.1 mol/L 的NaOH 或 者0.1 mol/L 的HNO3调整。吸附后上清液中MB 浓度用岛津UV-2550 分光光度计测量(λ=665 nm)。吸附量及吸附百分比的计算公式如下:
式中:qe为平衡吸附量;C0、Ce分别为吸附起始和平衡浓度;V为溶液体积;M为吸附剂质量。
图1 为氧化石墨、Fe3O4、Fe3O4@SiO2@GO 的XRD 图谱。
从图1 中可看出,氧化石墨在2θ=10.5 °有个非常强的峰,这是氧化石墨的(001)峰,这说明石墨通过氧化,其层间距因插入含氧基团而增加,形成了结构规整的氧化石墨[18]。Fe3O4和Fe3O4@SiO2@GO的XRD 图谱与报道的标准磁铁矿(JCPDS No:19-0629)高度一致,这两个样品都呈现了规则而尖锐的衍射峰,说明制备的Fe3O4具有规整的晶体结构,而对于Fe3O4@SiO2@GO 样品,由于Fe3O4含量减少,其峰的强度比纯Fe3O4的峰要低一些。
图2 为Fe3O4、Fe3O4@SiO2@GO 的SEM/TEM 图。从图2a 中可看到Fe3O4纳米粒子分散性良好,颗粒大小分布较为均匀,粒径大小约为200 nm,显然,采用水热法制备的Fe3O4纳米粒子质量良好,这为制备磁性复合材料提供了理想的前驱体材料。
由图2b 所示Fe3O4@SiO2@GO 的SEM 图,可看到数个Fe3O4纳米粒子团簇被氧化石墨烯紧紧包覆,形成了Fe3O4核、GO 壳结构的复合材料。TEM 图(图2c)更清晰地显示出Fe3O4@SiO2@GO 的核壳结构,具有皱纹波浪结构的氧化石墨烯通过SiO2层牢牢地粘附于纳米粒子表面。本文通过在Fe3O4包覆SiO2层,再使用APTES 与SiO2表面亲水基团反应,从而赋予磁性纳米粒子表面-NH2基团,最后在偶联剂作用下,通过反应形成了共价键连接、结构稳定的复合材料。图2d 是Fe3O4@SiO2@GO 高分辨TEM 图和电子衍射图(内嵌图),从中可以清楚地看到Fe3O4的原子晶格条纹,间距0.48 nm 的条纹可归于Fe3O4的(111)晶面,而电子衍射图呈规则明亮的衍射斑点,说明了Fe3O4是单晶形态。
图3 是GO、Fe3O4@SiO2@GO 的FTIR 图。
如图3 所示,GO 样品中约3 445 cm-1宽峰以及1 610 cm-1峰分别是O—H 键的伸缩和弯曲振动峰,1 740 cm-1峰为GO 中羧基C==O 的伸缩振动峰,1 200~1 400 cm-1峰为C—OH 键的弯曲振动峰;对Fe3O4@SiO2@GO 样品,1 210 cm-1峰是C—N 键的伸缩振动峰,中心在1 078 cm-1峰为Si—O—Si 对称伸缩振动峰,583 cm-1峰为Fe3O4中Fe—O 键伸缩振动峰[10],1 630 cm-1峰为N—H 键的弯曲振动峰[2]。对 比GO 和Fe3O4@SiO2@GO 的FTIR 峰,可 看 到GO 中3 445,1 610 cm-1峰消失而出现N—H 峰,这说明GO 中基团通过化学反应形成了共价键。
图4 是Fe3O4@SiO2@GO 的磁化曲线。
由图4 可知,其最大饱和磁化强度达56.9 emu·g-1,该磁化强度能够保证吸附剂在吸附后快速分离。如图4 内嵌图所示,亚甲基蓝溶液加入Fe3O4@SiO2@GO 吸附剂分散处理后,在外加磁场下25 s 内,吸附剂能够快速分离。Fe3O4@SiO2@GO 良好的磁性能使其在吸附后从溶液中得到快速分离,从而解决氧化石墨烯吸附剂在溶液中难分离的缺陷,这将大大加快吸附的后处理速度,大大降低其成本,从而为氧化石墨烯的大规模应用打下基础。
图5 给出了溶液pH 值对Fe3O4@SiO2@GO 吸附MB 的影响关系。
由图5 可以得知,随着溶液的pH 不断值增加,Fe3O4@SiO2@GO 对MB 的吸附量迅速增加,当pH值从2 增加到10,其对MB 的去除率到从22%增加到85%,pH 值达到11,去除率超过了97%,进一步增加pH 值到12,去除率仍稍许增加。pH 值实验结果表明,高的pH 值有益于样品对MB 的吸附,本实验除测定pH 值对吸附影响外,其他实验溶液pH 值皆定为11。Fe3O4@SiO2@GO 吸附量随pH 值变化可归结于正电荷MB 离子和H+间的竞争吸附。当pH值较低时,溶液中存在大量H+,H+会占据吸附剂中活性吸附点位置,导致Fe3O4@SiO2@GO 对MB 的吸附率下降。随着pH 值增加,H+浓度降低,从而导致较少的H+占据吸附活性点位置,相应地更多的MB 被活性点吸附。从以上分析可以看出,样品对MB 的吸附主要靠静电吸引,是物理吸附。
图6 给出了吸附剂用量与MB 去除率之间的关系(MB 的初始质量浓度为40 mg/L)。从图6 可看出,当吸附剂用量从2.5 mg 增至10 mg 时,MB 去除率从不到40%几乎线性增长到97%以上,之后增加吸附剂用量,吸附去除率接近100%,这表明MB 吸附质几乎完全被Fe3O4@SiO2@GO 吸附了。本文除测试吸附剂用量外,其他实验吸附剂用量为10 mg,该用量吸附剂能提供足够多活性吸附点,充分地与MB分子发生吸附反应。
图7 为Fe3O4、Fe3O4@SiO2@GO 和GO 对MB的吸附平衡等温线。
从图7 中可看到,Fe3O4对MB 的吸附几乎为0,而Fe3O4@SiO2@GO 和GO 的吸附曲线较相似,当Ce小于3 mg·L-1时,qe随Ce增加快速增加,而当Ce大于3 mg·L-1时,qe随Ce缓慢增加。这是因为在低MB 浓度时,Fe3O4@SiO2@GO 和GO 存在足够多吸附活性点,能够高效吸附MB,随着Ce浓度的增加,Fe3O4@SiO2@GO 的吸附点大多被MB 占用,因而溶液中大量MB 分子不能被吸附。尽管GO 对MB的吸附要高约12%,但是GO 吸附MB 后很难从溶液中分离,在实际应用过程中可能造成二次污染,而Fe3O4@SiO2@GO 因快速的磁性分离而能完全克服GO 的缺点。表1 列出了不同磁性吸附剂对MB 的吸附性能。
表1 各种磁性吸附剂对MB 吸附性能比较Table 1 Comparison of MB adsorption capacities of various magnetic adsorbents
本研究制备样品对MB 的吸附达104.5 mg·g-1,同其他吸附剂相比,显然Fe3O4@SiO2@GO 具有较大的性能优势[19-21]。考虑到本样品具有独特稳定的核壳结构及良好磁性,能够在溶液中快速分离,因而该复合材料有望在水处理方面得到广泛应用。
1)制备的磁性氧化石墨烯具有Fe3O4核、氧化石墨烯壳的核壳结构,复合材料中氧化石墨烯通过SiO2层和磁性纳米粒子紧密相连,Fe3O4成单晶结构。
2)随着pH 值增加,Fe3O4@SiO2@GO 对MB 的去除率迅速增加,其吸附主要为物理吸附;在本实验条件下,随着吸附剂用量增加,去除率迅速增加,当其用量为10 mg,吸附剂对MB 的去除率超过97%,进一步增加吸附剂量,去除率基本稳定。
3)本吸附剂对MB 的吸附量达104.5 mg·g-1,在外加磁场下吸附后能快速与溶液分离。初步吸附测试表明,该材料是一种优异吸附剂,在废水处理中有望得到广泛应用。