氧化石墨烯对水溶液中阳离子染料的吸附

摘 要：本文考察了通过水热合成的方法制备的氧化石墨烯（GO）对水溶液中不同浓度的阳离子染料：亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B的吸附作用。实验发现，GO对阳离子染料具有高效的吸附性能，且阳离子染料初始浓度越高对吸附越有利，GO对亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B的吸附能力分别为199.2，195.4和154.8mg.g-1，结果表明，氧化石墨烯的层状结构和表面的官能团在吸附过程中发挥重要作用。

关键词：吸附、氧化石墨烯，阳离子染料

1 研究背景

氧化石墨烯较其他的吸附剂具有更高的比表面积，且其表面含有大量的含氧官能团，包括羟基、羧基和羰基[1]，这使其作为吸附剂具有更高的潜力[2]。本文通过吸附实验考察了氧化石墨烯对亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B这三种阳离子染料的吸附性能。

2 实验部分

2.1 氧化石墨烯的制备

通过Hummers水热合成的方法制备氧化石墨烯。

2.2 吸附實验

将阳离子染料亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B溶于蒸馏水，均配制成5，10和20mg·L-1的染料溶液。室温下分别将10mg的氧化石墨烯放入100mL的不同浓度的染料溶液中，在磁子搅拌的条件下进行吸附反应，每隔一定的时间，取出5mL染料溶液，在3000r·min-1的离心机中离心2min，然后将上清液放入紫外分光光度计中，分别在亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B的最大吸收波长处（664、584、554nm）进行检测。磁子搅拌300min后，收集所有的氧化石墨烯。将固体吸附剂与硫酸钡按照质量比1：20的比例研磨均匀，三种不同的阳离子染料按照质量比1：30的比例分别与硫酸钡混合均匀，将固体混合物均放入紫外分光光度计中进行检测。

3 结果与讨论

3.1 氧化石墨烯的表征

图1为GO的SEM图，经超声震荡后GO呈片状结构，片层较薄，且片层的边缘有轻微的卷曲。

图2为石墨粉、GO的XRD图，由图可知，石墨粉在2θ=26.55°有一个很强的衍射峰，根据布拉格方程计算，晶面间距为0.335nm。鳞片石墨晶体的粒径较大，晶体的结晶程度完整性高，内部质点排列规则，在X射线衍射时谱线的强度很大，峰型尖锐。GO的2θ=9.10°，其层间距为0.971nm，这是由于石墨层间插入大量的氧化剂分子。

图3为GO的等温吸附线，图4为通过DFT方法计算得到的GO的孔径分布曲线。DFT方法计算氧化石墨烯的比表面积为23.3m2·g-1，孔体积为0.097cm3·g-1，比表面积也明显大于鳞片石墨的1m2·g-1。这表明氧化石墨烯的制备过程中，石墨的层状结构被拉大。氧化石墨烯的平均孔径为3.72nm，表明制备的氧化石墨烯样品为介孔材料。

3.2 氧化石墨烯对阳离子染料的吸附性能

结晶紫（b）和罗丹明B（c）的饱和吸附量

吸附量的计算：

某一时刻吸附剂对染料溶液的吸附量可以用下式计算：

其中C0和Ce分别是吸附剂吸附前后染料溶液的浓度（mg·L-1），V是染料溶液的体积（L），W是吸附剂的质量（g）。

图5a，b，c分别为室温下，10mgGO对不同浓度的亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B染料溶液的吸附曲线，从图中可以看出，在起始阶段GO对染料溶液的吸附量迅速增加，随着接触时间的增加，吸附量增加缓慢，在100min左右，GO对亚甲基蓝和结晶紫的吸附达到平衡，而罗丹明B的吸附平衡出现在大约200min左右，这说明GO对MB和CV的吸附较RhB要快。当染料溶液的初始浓度不同时，GO对染料的饱和吸附量也不同，因此GO对阳离子染料的吸附过程与染料的初始浓度和接触时间相关。

氧化石墨烯对不同浓度的三种阳离子染料的最大吸附量列在表1中。

4 结论

本文考察了用简单的水热合成方法制备的氧化石墨烯分别对不同浓度的阳离子染料亚甲基蓝、结晶紫和罗丹明B的吸附性能，结果表明，GO对染料的饱和吸附量受染料的结构和初始浓度的影响较大，氧化石墨烯对染料的吸附过程中，形成了不同形式的聚合物。氧化石墨对这三种阳离子染料的最大吸附量分别为199.2，195.4和154.8mg·g-1。氧化石墨烯将是一种有效的去除水中阳离子染料的吸附剂。

这项工作得到了国家自然科学基金（21076056），中国教育部重点项目（2100016）和高等教育专业博士学科点科研基金项目（20091317120005）的支持。

参考文献：

[1] Li D，Kaner R B.Graphene-Based materials，Materials science 2008，320：1170-1171.

[2]周洋，伏文，陈春年.一步水热法制备自组装氧化石墨烯凝胶及其吸附性能的研究[J]复旦学报（自然科学版），2018，57（6）：789-793.

作者简介：

靳倩倩（1986- ），女，河北省衡水市人，硕士学位，工程师，化学工程与工艺方向。