印染行业的石墨烯与天然高分子复合吸附剂应用

王京玺

济南工程职业技术学院，山东 济南 250000

随着社会的不断发展，人们的生活水平不断提升，但发展过程中也产生了十分严重的环境问题，其中水污染是最为突出的问题。印染行业作为高耗水、高耗能产业，会产生较大的废水量，对水体环境造成极大影响。印染废水的成分十分复杂，含有各种染料、浆料、表面活性剂、印染助剂、各种金属离子等。本文将分析石墨烯和壳聚糖、海藻酸钠、纤维素复合而成的吸附剂在吸附染料及重金属离子的应用优势。

1 染料及重金属离子的危害与处理方法

染料是一种十分稳定的有机化合物，其主体包括苯、萘、醌等，并且分子链上还包括各种显色基团，不同类型的染料具有不同的特点。活性染料是含氮基发色基团的染料，将其分解之后，将会形成有毒性的胺，虽然活性染料在印染行业中的应用十分普遍，但是其产生的废水处理十分困难；分散染料作为非离子型并且带有蒽醌结构的染料，具有十分稳定的分子结构，而生物对其降解性较低，存在生物累积性的特点；碱性染料因为具有非常艳丽的色泽，如果水体中含有微量的碱性染料，那么同样会出现极高的色度，无法正常摄入光线，导致植物光合作用受到影响，对于水体生态环境的平衡造成破坏。另外，基于食物链等方式，染料还会威胁到人类的身体健康，可能会引发过敏、红肿、皮炎，甚至癌症等。

在印染加工过程中，会在其中添加铜、铬等金属离子或是无机盐，所以印染产生的废水中还会含有重金属离子，污染环境。含少量重金属的污染废水也会严重破坏水体环境，重金属及其化合物的毒性具有一定时间的持续性，甚至还会在水体微生物作用下产生更强的毒性。而重金属在排入水体中也不会消失，随着食物链的丰富，导致部分鱼类食用，人类一旦食用这些鱼类，将会出现重金属中毒，从而对人类健康造成巨大威胁。所以，印染行业的废水处理技术非常重要。除此之外，如果水体中的含铜量大于0.1 mg/L，那么将会导致水体的自净功能受到影响；如果含量超过5 mg/L，水体将会出现异味；而一旦含铜量大于15 mg/L，水体中的水则无法饮用。人类一旦饮用含铜量超过15 mg/L的水，将会刺激消化系统，从而引发呕吐、腹痛等一系列的不良症状。

对于染料的处理方法非常多，包括吸附法、生物法、混凝法、膜分离技术等。另外，还可以根据染料和重金属离子的特点，采用不同的处理方式，如处理染料发色基团的电化学法、化学氧化法及处理重金属自理的沉淀法、离子交换法等[1]。

2 石墨烯/天然高分子复合材料吸附剂的应用研究

随着经济的发展，印染行业中的废水排放也在不断增加，而污染物的种类也随之增加，严重威胁到生态环境和人类安全。染料是一种稳定的有机化合物，含有芳香结构，是由发色基团及助色基团组成，降解比较困难。水体中含有低浓度的染料将会呈现出明显颜色，从而导致水体污染，致使水体中的日光入射量下降，减弱了水中之物的光合作用，从而对于整体的水体生态系统造成严重影响。当前有许多方法来去除废水中的毒害物质，如共沉淀、吸附法、凝絮、离子交换等方法。而吸附法因为方便操作、价格低廉、吸附效果好，成为一种去除污染的有效方法。氧化石墨烯天然高分子复合吸附剂则成为处理水污染的关键吸附剂。

2.1 石墨烯与壳聚糖复合吸附剂的吸附研究

在染料行业的吸附剂吸附过程中，常用的模型染料包括阴离子型染料（刚果红、甲基橙）、阳离子型染料（亚甲基蓝、罗单明B）等。在阳离子型亚甲基蓝染料的吸附方面，将磁性纳米Fe3O4与壳聚糖混合反应，并在其中添加戊二醛进行交联，之后添加氧化石墨烯制备成磁性壳聚糖/氧化石墨烯吸附剂，亚甲基蓝的饱和吸附量可以达到180 mg/g。为了提高吸附性能，可以将氧化石墨烯及壳聚糖制备成海绵状，并且当前的亚甲基蓝吸附已经提高至275.5 mg/g。而三维多孔β-环糊精功能化氧化石墨烯/壳聚糖水凝胶对于亚甲基蓝的吸附量非常大，与Freun-dlich吸附模型十分符合。

JIANG[2]通过研究阴离子型染料甲基橙，提出了磁性壳聚糖氧化石墨烯纳米复合材料，该材料对于甲基橙的吸附量最大可以达到398.08 mg/g。而后对多孔海绵状壳聚糖/氧化石墨烯复合材料的制备及甲基橙的吸附性能等方面进行研究，此时的甲基橙的饱和吸附量已经达到了567.07 mg/g、689.78 mg/g。并且通过实际应用，发现后者的吸附容量更高，究其原因是由于其孔隙度更高，可以有效提高吸水性能，同时降低密度。所以，在印染行业中应用石墨烯与壳聚糖复合吸附剂，对于阳离子、阴离子型染料都具有非常大的吸附容量。另外，当制备的材料为三维多孔的气凝胶、海绵或是水凝胶等宏观形式时，其吸附容量会显著提高。

2.2 石墨烯/海藻酸钠复合吸附剂的应用

海藻酸钠中含有大量的羧基，适合应用于阳离子型的染料吸附方面；而海藻酸钠与二价金属离子容易交联，从而形成凝胶微球。因此，采用 CaCl2为交联剂用于染料吸附方面。 通过制备对叔丁基杯型芳烃改性海藻酸钠氧化石墨烯纳米复合珠，其吸附量最大可以达到170.36 mg/g。随之出现了海藻酸钙固定化氧化石墨烯复合材料，其最大吸附量可以达到181.81 mg/g。经过研究氧化石墨烯及海藻酸钠，将其制备成吸附剂，其对亚甲基蓝的吸附量最大情况下为157.73 mg/g。但是，石墨烯与海藻酸钠复合对于亚甲基蓝的吸附容量要高于氧化石墨烯，而低于纯海藻酸钠[3]。对其原因进行分析，主要是由于二价金属离子在交联海藻酸钠的过程中，每一个二价金属离子都会有相邻的两个羧基进行结合，从而导致吸附位点减少，最终出现比纯海藻酸钠的吸附容量低的情况，但是，复合吸附剂依旧保持了相对较高的吸附量，并且还显著提升了比表面积、机械性能等，所以还是阳离子型染料实施处理的有效方式之一。

2.3 石墨烯/纤维素复合吸附剂

作为当前自然界已知的最丰富聚合物，纤维素及其衍生物如羧甲基纤维素（CMC）已经被制作成水凝胶，用于处理废水。但是，因为纯纤维素凝胶对于染料起到的吸附效果非常有限，对亚甲基蓝的吸附容量仅达到13 mg/g，所以，可以选择在其中添加氧化石墨烯，来提高其吸附性能[4]。通过制备三维再生纤维素/氧化石墨烯复合气凝胶，其对亚甲基蓝的吸附量最大可以达到68 mg/g，提升了500%的纯纤维素吸附能力。另外，在纤维素/氧化石墨烯复合膜上，其吸附容量已经可以达到 85.7 mg/g。而制备羧甲基纤维素—丙烯酰胺—氧化石墨烯水凝胶，并在其中添加氨基，之后对于酸性蓝的吸附进行充分研究，发现最大吸附量可以达到185.45 mg/g[5]。

3 石墨烯/天然高分子复合吸附剂的再生应用

脱附特性是评价吸附剂应用价值的一个关键因素。吸附剂不仅需要具有良好的吸附性，同时还需要具有良好的脱附性，以此来降低吸附剂的成本费用。当前，国内外关于吸附再生的方法研究中，电化学法、氧化法、溶剂法、加热法等是比较常见的几种方法。溶剂再生法优点在于污染小、再生过程稳定，并且操作简单方便，所以成为了当前印染行业常用的一种脱附再生方法。而溶剂的选择需要基于吸附性质决定[6]。

其中石墨烯/壳聚糖复合材料在对于阳离子型染料、金属离子进行吸附时，因为吸附位点属于含氧官能团，所以需要采用硝酸、盐酸等酸性溶剂，H+与吸附的染料之间会形成竞争作用，以此来实现脱附的目的。例如，SAMUELMS通过研究发现，在0.1 mol/L HCl溶液中添加磁性壳聚糖/氧化石墨烯复合材料1 g/L，并在10 mL溶液中开展脱附试验，结果发现，复合材料对于Pb（II）的吸附率从最开始的92%，经过连续4个循环之后，吸附率下降至78%[7]。

4 结 语

综上所述，石墨烯与壳聚糖、海藻酸钠、纤维素复合而形成的吸附剂可应用在对染料、重金属离子等的吸附中，为研究高效吸附剂提供了新的方向。但如果想要实现高稳定、高效率的吸附效果，仍需要不断进行研究。