• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      L-色氨酸功能化氧化石墨烯的制備及其對水中Ni2 + 的吸附研究

      2015-07-13 03:12:00檀夢婷蔣偉群夏曉峰劉湘
      應(yīng)用化工 2015年8期
      關(guān)鍵詞:功能化色氨酸吸附劑

      檀夢婷,蔣偉群,夏曉峰,劉湘

      (1.江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122;2.江蘇藍(lán)星化工環(huán)保有限公司,江蘇 無錫 214222)

      近年來,由冶金、采礦和化工等行業(yè)排出的工業(yè)廢水造成的重金屬污染問題日益嚴(yán)重。重金屬通過食物鏈的累積作用對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。其中,含量超標(biāo)的鎳輕則會(huì)造成胃腸痛、肺纖維化、皮膚炎癥、慢性支氣管炎,重則造成肺功能衰竭和肺癌等健康問題[1]。因此,移除污水中的重金屬至關(guān)重要。常見的重金屬移除方法有:化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法、電化學(xué)法和吸附法,其中吸附法因?yàn)槠浜唵斡行У奶攸c(diǎn)而被廣泛運(yùn)用。傳統(tǒng)的吸附劑主要包括粘土、活性炭、沸石、吸附樹脂和二氧化硅等,但這些吸附劑普遍存在吸附容量或吸附效率低的問題。

      氧化石墨烯(GO)作為石墨烯的衍生物,它除了具有大的理論比表面積外,其平面上還含有大量的含氧官能團(tuán),如—COOH、—OH 和C—O—C 等,因此常作為吸附劑用于污水中重金屬的移除。盡管大多數(shù)重金屬離子的吸附主要依靠重金屬離子與吸附位點(diǎn)之間的絡(luò)合或離子交換作用,吸附劑的表面性質(zhì)在吸附過程中仍起著重要的作用[2]。當(dāng)重金屬離子濃度較低時(shí),吸附劑對重金屬離子的吸附主要為表面作用過程。因此,吸附劑的表面修飾對吸附劑的吸附效果有著重要的影響。眾所周知,—NH2能夠提供孤對電子,因此除—COOH、—OH 等基團(tuán)外,它也可以有效的結(jié)合重金屬離子。而L-色氨酸作為一種環(huán)境友好型材料,它含有對重金屬離子有強(qiáng)絡(luò)合作用的—NH2和—COOH 且在移除重金屬離子的過程中不會(huì)對水體造成二次污染,故利用L-色氨酸改性GO 來提高酸性條件下對重金屬的移除效率。

      本文通過親核取代反應(yīng)制備L-色氨酸功能化氧化石墨烯(GO/L-Trp)并將其作為吸附劑,探究吸附劑含量、離子強(qiáng)度、pH、吸附時(shí)間和重金屬離子初始濃度等因素對Ni2+吸附性能的影響。此外還對其吸附動(dòng)力學(xué)和等溫線進(jìn)行了探究。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 試劑與儀器

      天然鱗片石墨,色譜純;高錳酸鉀、濃硫酸、磷酸、鹽酸、L-色氨酸、氫氧化鈉、無水乙醇、六水合硝酸鎳等均為分析純。

      Nicolet 6700 型全反射傅里葉紅外光譜儀;德國D8-Advance 型X 射線衍射儀;TAS-990NFC 型原子吸收分光光度計(jì)。

      1.2 L-色氨酸功能化氧化石墨烯的制備

      利用Improved 法制備氧化石墨[3]。稱取0.1 g氧化石墨并將其置于20 mL 超純水中超聲分散1 h至溶液中無固體存在,由此得到氧化石墨烯(GO)。隨后分別向GO 中加入0.3 g L-色氨酸(L-Trp)和20 mL等摩爾量的NaOH 溶液。將此混合溶液在常溫下攪拌24 h 并在反應(yīng)結(jié)束后用50 mL 乙醇處理混合溶液至沉淀析出。通過離心分離出沉淀物并用1∶1乙醇/水洗滌。最后通過冷凍干燥得到干燥的L-色氨酸功能化氧化石墨烯(GO/L-Trp)。

      1.3 L-色氨酸功能化氧化石墨烯對Ni2+吸附性能的研究

      稱取0.50 g 六水合硝酸鎳并用100 mL 超純水溶解得到1 000 mg/L 的Ni2+溶液,隨后將其稀釋至10 ~250 mg/L。用移液管移取20 mL 10 mg/L 的Ni2+溶液,利用0.1 mol/L HCl 和NaOH 調(diào)節(jié)溶液pH 為8。隨后分別向溶液中10 mg 的GO/L-Trp。在293 K 下持續(xù)攪拌5 ~1 440 min。利用0.22 μm微孔濾膜過濾出吸附劑并利用原子吸收分光光度計(jì)檢測吸附后Ni2+的濃度。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 GO/L-Trp 的表征

      在此反應(yīng)中GO 與L-Trp 之間可能存在3 種作用:氫鍵、質(zhì)子化的氨基和羧基之間的靜電作用以及氨基與環(huán)氧基發(fā)生的親核取代反應(yīng)。研究表明,該反應(yīng)主要以氨基和環(huán)氧基之間發(fā)生的親核取代反應(yīng)為主[4]。氨基作為親核試劑進(jìn)攻GO 平面上環(huán)氧基中的C 原子。為了進(jìn)一步說明GO 與L-Trp 之間的作用,我們利用ATR-FTIR 和XRD 進(jìn)行判斷。

      圖1 (a)GO 和(b)GO/L-Trp 的ATR-FTIR 譜圖Fig.1 ATR-FTIR spectra of (a)GO and (b)GO/L-Trp

      由圖1 可知,GO 在3 400 cm-1左右存在一個(gè)較寬的—OH 峰。由于GO 樣品是經(jīng)過冷凍干燥得到的,因此干燥后樣品自身含水量很低。但GO 具有較強(qiáng)的吸水性導(dǎo)致樣品中含有一定的結(jié)合水,因此該—OH 振動(dòng)峰來源于GO 邊緣—OH 和結(jié)合的水分子中—OH 峰。這也說明GO 雖然被充分干燥,但仍存在水分子,這與GO 不可能被全干燥的理論相吻合。對GO/L-Trp 而言,其在3 400 cm-1左右存在特征峰。這可能是樣品中—OH 和—NH2的伸縮振動(dòng)峰。除 此 之 外,它 在1 710,1 660 cm-1和1 573 cm-1還存在 C O、 C C 和N—H 的特征峰[5]。而其在1 000 ~1 400 cm-1存在的特征峰可能是由羧基和環(huán)氧基中的C—O 的振動(dòng)引起的。

      GO 和GO/L-Trp 的XRD 譜圖見圖2。

      圖2 (a)GO 和(b)GO/L-Trp 的XRD 譜圖Fig.2 XRD spectra of (a)GO and (b)GO/L-Trp

      由圖2 可知,GO 的衍射峰在10.7°和42.1°處。其中,GO 在10°左右的特征衍射峰,說明其在制備的過程中,石墨的晶型遭到破壞,生成了新的晶體結(jié)構(gòu),其表面產(chǎn)生了皺褶和彎曲,同時(shí)層間也插入了水分子和含氧官能團(tuán)[6]。對GO 及其功能化產(chǎn)物而言,層間距d 是表示其氧化度的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)GO 氧化度越高時(shí),d 越大,其對應(yīng)的層與層之間的范德華力也越小,這樣有利于超聲分散將其剝離開來。根據(jù)布拉格方程式:

      其 中,d(nm)為 層 間 距;θ(°)為 衍 射 角;λ(nm)為由Cu 靶發(fā)射的X 射線的波長;n =1。可知GO-2 在10.7°的特征衍射峰對應(yīng)的d 為0.825 nm。對GO/L-Trp 來說,其2θ =9.0°處的特征峰對應(yīng)的層間距為0.98 nm,大于GO 在2θ 為10.7°對應(yīng)的層間距(其值為0.82 nm),這說明L-Trp 與GO 發(fā)生了插層反應(yīng)導(dǎo)致層間距增大。

      2.2 時(shí)間對吸附的影響及吸附動(dòng)力學(xué)研究

      吸附達(dá)到平衡狀態(tài)所用的時(shí)間是影響水中重金屬處理過程的一個(gè)重要因素。因此在吸附劑GO/LTrp 含量為10 mg,Ni2+濃度為10 mg/L 且溶液pH為8,溫度為20 ℃的條件下,我們研究了時(shí)間對Ni2+吸附百分率的影響,結(jié)果見圖3。

      圖3 吸附時(shí)間對Ni2+吸附的影響Fig.3 Effect of contact time on Ni2+adsorption

      從圖中可以看出,在0 ~480 min 內(nèi)吸附速率很快且當(dāng)時(shí)間為480 min 時(shí),GO/L-Trp 對Ni2+的吸附百分率達(dá)到87%。這是由于GO/L-Trp 的比表面積大且具有無孔層狀結(jié)構(gòu),Ni2+在吸附過程中無需穿過孔洞,因此,GO/L-Trp 對Ni2+的吸附不需要太大的驅(qū)動(dòng)力[7]。隨后吸附速率減慢且吸附基本趨向平衡狀態(tài)。這是由于隨著吸附時(shí)間的增加,溶液中H+與Ni2+之間的競爭作用的增強(qiáng)且GO/L-Trp 表面空閑吸附位點(diǎn)的減少造成的。因此,我們認(rèn)為當(dāng)時(shí)間為480 min 時(shí),吸附反應(yīng)已達(dá)到平衡。在后續(xù)反應(yīng)中,我們將480 min 作為吸附反應(yīng)平衡時(shí)間。

      為了研究GO/L-Trp 對Ni2+的吸附過程的速控步驟和動(dòng)力學(xué)規(guī)律,我們利用Lagergren 一級動(dòng)力學(xué)和二級動(dòng)力學(xué)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。其中,Lagergren 一級動(dòng)力學(xué)和二級動(dòng)力學(xué)模型如方程(2)和(3)所示:

      其中,qe(mg/g)和qt(mg/g)分別表示的是吸附時(shí)間為0 ~t 以及t 時(shí)刻吸附劑的平衡吸附量;t(min)為吸附時(shí)間;k1(min-1)和k2[g/(mg·min]分別是一級動(dòng)力學(xué)和二級動(dòng)力學(xué)模型的吸附動(dòng)力學(xué)常數(shù)。圖4 為ln(qe-qt)-t 和t/qt-t 關(guān)系圖,根據(jù)擬合直線的截距和斜率計(jì)算得到一級動(dòng)力學(xué)和二級動(dòng)力學(xué)的平衡吸附量和吸附動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

      圖4 GO/L-Trp 對Ni2+吸附的Lagergren(a)一級和(b)二級動(dòng)力學(xué)模型Fig.4 Lagergren (a)pseudo-first-order and(b)pseudo-second-order kinetic plots for the adsorption of Ni2+on GO/L-Trp

      表1 GO/L-Trp 對Ni2+吸附的Lagergren 一級和二級動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果Table 1 Lagergren pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models for the adsorption of Ni2+ on GO/L-Trp

      通過表1 我們發(fā)現(xiàn),經(jīng)擬合后的Lagergren 二級動(dòng)力學(xué)線性決定系數(shù)(R2)為0.990,這高于Lagergren 一級動(dòng)力學(xué)的R2。因此,我們認(rèn)為GO/L-Trp 對Ni2+的吸附的速控步驟為化學(xué)吸附,而與溶液中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移無關(guān)[8]。

      2.3 吸附等溫線研究

      吸附等溫線指得是在特定的溫度條件下,通過研究重金屬離子濃度和吸附容量之間的關(guān)系來了解吸附現(xiàn)象的本質(zhì),因此一般用來尋找特定吸附質(zhì)的吸附容量。其中最常用的兩種等溫吸附模型為Langmuir 模型和Freundlich 模型。

      Langmuir 模型假設(shè)吸附質(zhì)在吸附劑表面為單分子層吸附,并且在各個(gè)位點(diǎn)分布均勻且達(dá)到飽和,其表達(dá)式如方程(4)所示。Freundlich 模型描述的是吸附劑表面不均勻或是在其吸附了吸附質(zhì)之后兩者之間存在相互作用的非均相吸附過程,其表達(dá)式如方程(5)所示。

      將吸附容量與重金屬濃度按照Langmuir 模型和Freundlich 模型擬合,見圖5。

      圖5 GO/L-Trp 對Ni2+吸附的(a)Langmuir 和(b)Freundlich 模型Fig.5 (a)Langmuir and (b)Freundlich isotherms for the adsorption of Ni2+ on GO/L-Trp

      其中,Ce(mg/L)為平衡時(shí)重金屬離子濃度;qe(mg/g)為平衡吸附量;qm(mg/g)和KL(L/mg)是分別與吸附容量和吸附能有關(guān)的Langmuir 吸附常數(shù);KF(mg1-nLn/g)和n 是分別與吸附容量和吸附強(qiáng)度相關(guān)的Freundlich 吸附常數(shù)。分別用Ce/qe對Ce和log qe對log Ce作圖,根據(jù)所得直線的斜率和截距得到兩種吸附模型的吸附相關(guān)參數(shù)。

      表2 GO/L-Trp 對Ni2+Langmuir 和Freundlich 吸附等溫線模型的擬合結(jié)果比較Table 2 Comparison results between two isotherm models for Ni2+adsorption on GO/L-Trp

      由表2 可知,擬合后Langmuir 模型的R2為0.998,高于Freundlich 模型的R2。這表明Langmuir模型計(jì)算得到的平衡吸附量更接近于吸附等溫線實(shí)驗(yàn)中的平衡吸附量,GO/L-Trp 對Ni2+的吸附為單分子層吸附且其最大吸附容量分別為91.4 mg/g。結(jié)果表明,GO/L-Trp 對Ni2+具有較強(qiáng)的吸附能力,因此可用于水中Ni2+的處理。

      3 結(jié)論

      通過ATR-FTIR 和XRD 分析表明,L-Trp 已成功通過親核取代反應(yīng)連接到GO 平面上。當(dāng)吸附劑含量為10 mg,pH 為8,吸附時(shí)間為480 min 時(shí),吸附百分率達(dá)到88%;該吸附反應(yīng)符合二級動(dòng)力學(xué)模型,其速控步驟為化學(xué)吸附;該吸附反應(yīng)為單層吸附,其最大吸附容量為91.4 mg/g。

      [1] Jonathan Febrianto,Aline Natasia Kosasih,Jaka Sunarso.Equilibrium and kinetic studies in adsorption of heavy metals using biosorbent:A summary of recent studies[J]. Journal of Hazardous Materials,2009,162(2/3):616-645.

      [2] Yu Bin,Alka Shukla,Kenneth Dorris.The removal of heavy metals from aqueous solutions by sawdust adsorption-removal of lead and comparison of its adsorption with copper[J].Journal of Hazardous Materials,2001,84(1):83-94.

      [3] Micheal J McAllister,Jelun Li.Single sheet functionalized graphene by oxidation and thermal expansion of graphite[J]. Chemistry of Materials,2007,19(18):4396-4404.

      [4] Athanasios B Bourlinos,Dimitrios.Graphite oxide:chemical reduction to graphite and surface modification with primary aliphatic amines and amino acids[J]. Langmuir,2003,19(15):6050-6055.

      [5] Jin Yuhong,Huang Shuo,Zhang Mei. A green and efficient method to produce graphene for electrochemical capacitors from graphene oxide using sodium carbonate as a reducing agent[J]. Applied Surface Science,2013,268:541-546.

      [6] Chinagandham Rajesh,Chiranjib Majumder,Hiroshi Mizuseki.A theoretical study on the interaction of aromatic amino acids with graphene and single walled carbon nanotube[J]. Journal of Chemical Physics,2009,130:124911-124916.

      [7] Huang Zhenghong,Zheng Xiaoyu,Lü Wei. Adsorption of lead(II)ions from aqueous solution on low-temperature exfoliated graphene nanosheets[J]. Langmuir,2011,27(12):7558-7562.

      [8] Bai Lan,Hu Huiping,F(xiàn)u Weng.Synthesis of a novel silica-supported dithiocarbamate adsorbent and its properties for the removal of heavy metal ions[J]. Journal of Hazardous Materials,2011,195:261-275.

      猜你喜歡
      功能化色氨酸吸附劑
      固體吸附劑脫除煙氣中SOx/NOx的研究進(jìn)展
      化工管理(2022年13期)2022-12-02 09:21:52
      色氨酸在養(yǎng)豬生產(chǎn)中的營養(yǎng)作用
      用于空氣CO2捕集的變濕再生吸附劑的篩選與特性研究
      能源工程(2021年1期)2021-04-13 02:05:50
      色氨酸的來源、代謝途徑及其在家禽生產(chǎn)上的應(yīng)用
      石墨烯及其功能化復(fù)合材料制備研究
      豬對色氨酸需要量的研究
      飼料博覽(2014年11期)2014-05-04 10:00:12
      茶籽殼吸附劑的制備與表征
      功能化三聯(lián)吡啶衍生物的合成及其對Fe2+識別研究
      GIS中吸附劑的設(shè)置分析
      河南科技(2014年7期)2014-02-27 14:11:21
      石墨烯的制備、功能化及在化學(xué)中的應(yīng)用
      河南科技(2014年11期)2014-02-27 14:09:49
      天柱县| 蒲城县| 夏津县| 开阳县| 呼玛县| 电白县| 三亚市| 乌兰察布市| 乌什县| 建湖县| 洮南市| 新安县| 嘉鱼县| 斗六市| 巩留县| 赫章县| 拉萨市| 云和县| 广丰县| 莱芜市| 西和县| 两当县| 永仁县| 东乡县| 杭锦后旗| 本溪市| 深州市| 金平| 两当县| 乌鲁木齐县| 临海市| 恩施市| 晋宁县| 缙云县| 崇州市| 谢通门县| 上栗县| 拉萨市| 江华| 炎陵县| 三江|