磁性氧化石墨烯复合材料的制备及其对制革废水中Cr3+的吸附研究

马才奇，杨姝宜，程颖，邢振强

磁性氧化石墨烯复合材料的制备及其对制革废水中Cr3+的吸附研究

马才奇，杨姝宜，程颖，邢振强

（渤海大学，辽宁 锦州 121000）

以氧化石墨烯、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O为实验原材料，通过碱性共沉淀法制备磁性氧化石墨烯复合材料（Fe-GO）。探究不同的投加量、pH、温度和吸附时间对Fe-GO吸附制革废水中Cr3+的影响。结果表明：Fe-GO对Cr3+吸附的最适宜条件为Fe-GO的投加量为30 mg，温度为30 ℃，pH为5，吸附时间为120 min。

磁性氧化石墨烯； 制革废水；Cr3+；吸附

制革行业作为污染行业之一，产生的废水中含有大量的Cr3+，且极易被氧化，对人体和环境造成极大危害。吸附法由于运行成本低、方法简单且高效等优点，被广泛应用于水体污染处理[1]。氧化石墨烯作为一种新型的环境吸附材料，已经成为处理水体中重金属的热门研究对象，主要是因其具有比表面积大、水溶性好、官能团丰富等优点以及其带负电荷的特性[2-4]。然而，吸附后的氧化石墨烯在水体中分离难度大、不易回收，导致处理成本增加。针对这一问题，磁性氧化石墨烯复合材料（Fe-GO）的制备得到了广泛的关注[5-6]。本文以氧化石墨烯、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O为实验原材料，通过碱性共沉淀法制备了Fe-GO。由结果可知，四氧化三铁负载在氧化石墨烯片层上，增大了其对制革废水中Cr3+的吸附能力，同时解决了从水体中回收困难的问题[7-9]。

1 实验部分

1.1 实验试剂

氧化石墨烯粉末，南京先丰纳米材料科技有限公司；氨水，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；FeCl3·6H2O、FeCl2·4H2O、HCl、Cr(NO3)3，分析纯，北京浩克科技有限公司。实验所用水均为去离子水。

1.2 实验仪器

电子天平FA2104B，上海精密仪器仪表有限公司；磁力搅拌DF-101S，上海领德仪器有限公司；台式高速离心机TG16，上海卢湘仪离心机仪器有限公司；超声波清洗机YQ-1000A，上海易净超声波仪器有限公司；恒温鼓风干燥箱HS-9000A，上海和晟仪器科技有限公司；扫描电镜EVO MA10，蔡司公司；X射线衍射仪D8 Venture，布鲁克。

1.3 Fe-GO的制备

准确称取2.46 g的氧化石墨烯溶解于100 mL去离子水中，超声90 min制备成氧化石墨烯悬浮液，将盛有100 mL的FeCl2·4H2O（5.8 g）和FeCl3·6H2O（16.5 g）混合液倒入盛有氧化石墨烯悬浮液的烧杯中，搅拌60 min。加入氨水调节pH至10，并搅拌均匀，利用磁性进行回收，再用去离子水洗涤3次使溶液pH接近中性，得到的粉体在100 ºC下干燥12 h后研磨，即为Fe-GO。

1.4 吸附实验

100 mL的锥形瓶中加入初始质量浓度为 100 mg·L-1Cr3+40 mL，并称取30 mg的磁性氧化石墨烯复合材料粉体置于锥形瓶中，在150 r·min-1、30 ℃条件下振荡120 min后，利用磁性进行固液分离，采用原子吸收分光光度计测定溶液中Cr3+的浓度，计算磁性氧化石墨烯复合材料对Cr3+的去除率。

式中：—磁性氧化石墨烯复合材料对Cr3+的去除率；

0—Cr3+初始浓度，mol·L-1；

t—Cr3+平衡浓度，mol·L-1。

2 结果与讨论

2.1 Fe-GO的表征

扫描电镜可用来观察样品的微观结构，测试条件为：加速电流15 mA，工作距离17 mm，测量电压15 kV。图1为Fe-GO的扫描电镜图片。从图1中可以看到，氧化石墨烯呈现光滑的片层结构[10]，部分边界出现褶皱，四氧化三铁为球状颗粒，附着在氧化石墨烯的片层上。

图1 Fe-GO的扫描电镜图

对Fe-GO和GO进行XRD测试，目的是研究其晶相结构。如图2所示，氧化石墨烯的XRD图谱在2=10.8°处有一个明显的特征衍射峰，与氧化石墨烯的（002）相对应。但是在Fe-GO中却没有看到相应的氧化石墨烯峰值，这可能是由于制备的材料中氧化石墨烯含量较低或者是四氧化三铁对氧化石墨烯片层的掩蔽作用。此外，在Fe-GO复合材料中还存在7个明显的峰，分别为18.14°、30.27°、35.71°、37.40°、53.81°、57.41°和62.92°，分别与四氧化三铁的（111）、（220）、（311）、（400）、（422）、（211）、（440）晶面相对应，证明了四氧化三铁已经被负载在氧化石墨烯片层上。

图2 Fe-GO以及GO的XRD谱图

2.2 Fe-GO对制革废水中Cr3+的吸附研究

取40 mL质量浓度为100 mg·L-1的Cr3+溶液，分别投加不同质量的Fe-GO，结果如图3所示。随着Fe-GO投加量的增多，对Cr3+的去除率先上升后不变。当Fe-GO投加量达到30 mg时，吸附去除率达到最大（98.9%）。

图3 投加量对Fe-GO吸附Cr3+的影响

为避免Cr3+在溶液产生沉淀，本实验考察的pH范围为2~6。取40 mL质量浓度为100 mg·L-1的Cr3+溶液，向其中加入30 mg Fe-GO，结果见图4。由图4可知，Fe-GO对Cr3+的去除率随着pH增加先上升后下降，下降原因可能是Cr3+的沉淀逐渐析出，通常Cr3+在pH=4.6时开始沉淀。为了最大限度的减少沉淀对Fe-GO吸附性能的影响，本实验选择的最佳pH为5。

图4 pH对Fe-GO吸附Cr3+的影响

同时温度对Fe-GO的吸附性能也有影响。取 40 mL质量浓度为100 mg·L-1的Cr3+溶液，向其中加入30 mg Fe-GO，在pH=5的条件下探究温度对Fe-GO对Cr3+去除率的影响。由图5可以看出，随着温度升高，Fe-GO对Cr3+的去除率逐渐减小，表明Fe-GO在自然条件下即可达到较好的吸附能力，有利于其实际生产的应用。

取40 mL质量浓度为100 mg·L-1的Cr3+溶液，向其中加入30 mg Fe-GO，滴加适量HCl调节pH至5，在30 ℃，150 r·min-1的恒温振荡箱中进行振荡，每隔30 min取样，结果如图6所示。由图6可以看出，吸附时间120 min，Fe-GO对Cr3+的吸附达到平衡。

图5 温度对Fe-GO吸附Cr3+的影响

图6 吸附时间对Fe-GO吸附Cr3+的影响

3 结 论

以氧化石墨烯、FeCl2·4H2O和FeCl3·6H2O为实验原材料，通过碱性共沉淀法制备了磁性氧化石墨烯复合材料，主要研究其对制革废水中Cr3+的吸附性能。结果表明，当温度为30 ℃时，加入磁性氧化石墨烯复合材料为30 mg，对40 mL质量浓度为100 mg·L-1、pH=5的Cr3+溶液进行吸附，吸附120 min后即可达到平衡，去除率为98.7%。

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Study on Preparation of Magnetic Graphene Oxide Composites and Its Adsorption Performance for Cr3+in Tannery Wastewater

,,,

（Bohai University, Jinzhou Liaoning 121000, China）

The magnetic graphene oxide composite (Fe-GO) was prepared from graphene oxide, FeCl2·4H2O and FeCl3·6H2O by alkaline coprecipitation. The effect of different dosage, pH, temperature and adsorption time on Cr3+removal in tannery wastewater was explored with Fe-GO. The results showed that the best adsorption rate of Cr3+was obtained under the optimal condition, including the Fe-GO dosage 30 mg, the temperature 30 ℃, the pH 5, and the adsorption time 120 min.

Magnetic graphene oxide; Tannery wastewater ;Cr3+; Adsorption

2020-09-03

马才奇（1999-），女，山东省高密市人，研究方向：吸附法处理重金属。

杨姝宜（1983-），女，副教授，硕士，研究方向：吸附法处理重金属。

X703

A

1004-0935（2020）09-1072-03