印染行業(yè)的石墨烯與天然高分子復(fù)合吸附劑應(yīng)用

王京璽

濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，但發(fā)展過程中也產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的環(huán)境問題，其中水污染是最為突出的問題。印染行業(yè)作為高耗水、高耗能產(chǎn)業(yè)，會(huì)產(chǎn)生較大的廢水量，對(duì)水體環(huán)境造成極大影響。印染廢水的成分十分復(fù)雜，含有各種染料、漿料、表面活性劑、印染助劑、各種金屬離子等。本文將分析石墨烯和殼聚糖、海藻酸鈉、纖維素復(fù)合而成的吸附劑在吸附染料及重金屬離子的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 染料及重金屬離子的危害與處理方法

染料是一種十分穩(wěn)定的有機(jī)化合物，其主體包括苯、萘、醌等，并且分子鏈上還包括各種顯色基團(tuán)，不同類型的染料具有不同的特點(diǎn)?；钚匀玖鲜呛l(fā)色基團(tuán)的染料，將其分解之后，將會(huì)形成有毒性的胺，雖然活性染料在印染行業(yè)中的應(yīng)用十分普遍，但是其產(chǎn)生的廢水處理十分困難；分散染料作為非離子型并且?guī)в休祯Y(jié)構(gòu)的染料，具有十分穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，而生物對(duì)其降解性較低，存在生物累積性的特點(diǎn)；堿性染料因?yàn)榫哂蟹浅ＦG麗的色澤，如果水體中含有微量的堿性染料，那么同樣會(huì)出現(xiàn)極高的色度，無法正常攝入光線，導(dǎo)致植物光合作用受到影響，對(duì)于水體生態(tài)環(huán)境的平衡造成破壞。另外，基于食物鏈等方式，染料還會(huì)威脅到人類的身體健康，可能會(huì)引發(fā)過敏、紅腫、皮炎，甚至癌癥等。

在印染加工過程中，會(huì)在其中添加銅、鉻等金屬離子或是無機(jī)鹽，所以印染產(chǎn)生的廢水中還會(huì)含有重金屬離子，污染環(huán)境。含少量重金屬的污染廢水也會(huì)嚴(yán)重破壞水體環(huán)境，重金屬及其化合物的毒性具有一定時(shí)間的持續(xù)性，甚至還會(huì)在水體微生物作用下產(chǎn)生更強(qiáng)的毒性。而重金屬在排入水體中也不會(huì)消失，隨著食物鏈的豐富，導(dǎo)致部分魚類食用，人類一旦食用這些魚類，將會(huì)出現(xiàn)重金屬中毒，從而對(duì)人類健康造成巨大威脅。所以，印染行業(yè)的廢水處理技術(shù)非常重要。除此之外，如果水體中的含銅量大于0.1 mg/L，那么將會(huì)導(dǎo)致水體的自凈功能受到影響；如果含量超過5 mg/L，水體將會(huì)出現(xiàn)異味；而一旦含銅量大于15 mg/L，水體中的水則無法飲用。人類一旦飲用含銅量超過15 mg/L的水，將會(huì)刺激消化系統(tǒng)，從而引發(fā)嘔吐、腹痛等一系列的不良癥狀。

對(duì)于染料的處理方法非常多，包括吸附法、生物法、混凝法、膜分離技術(shù)等。另外，還可以根據(jù)染料和重金屬離子的特點(diǎn)，采用不同的處理方式，如處理染料發(fā)色基團(tuán)的電化學(xué)法、化學(xué)氧化法及處理重金屬自理的沉淀法、離子交換法等[1]。

2 石墨烯/天然高分子復(fù)合材料吸附劑的應(yīng)用研究

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，印染行業(yè)中的廢水排放也在不斷增加，而污染物的種類也隨之增加，嚴(yán)重威脅到生態(tài)環(huán)境和人類安全。染料是一種穩(wěn)定的有機(jī)化合物，含有芳香結(jié)構(gòu)，是由發(fā)色基團(tuán)及助色基團(tuán)組成，降解比較困難。水體中含有低濃度的染料將會(huì)呈現(xiàn)出明顯顏色，從而導(dǎo)致水體污染，致使水體中的日光入射量下降，減弱了水中之物的光合作用，從而對(duì)于整體的水體生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)前有許多方法來去除廢水中的毒害物質(zhì)，如共沉淀、吸附法、凝絮、離子交換等方法。而吸附法因?yàn)榉奖悴僮?、價(jià)格低廉、吸附效果好，成為一種去除污染的有效方法。氧化石墨烯天然高分子復(fù)合吸附劑則成為處理水污染的關(guān)鍵吸附劑。

2.1 石墨烯與殼聚糖復(fù)合吸附劑的吸附研究

在染料行業(yè)的吸附劑吸附過程中，常用的模型染料包括陰離子型染料（剛果紅、甲基橙）、陽離子型染料（亞甲基藍(lán)、羅單明B）等。在陽離子型亞甲基藍(lán)染料的吸附方面，將磁性納米Fe3O4與殼聚糖混合反應(yīng)，并在其中添加戊二醛進(jìn)行交聯(lián)，之后添加氧化石墨烯制備成磁性殼聚糖/氧化石墨烯吸附劑，亞甲基藍(lán)的飽和吸附量可以達(dá)到180 mg/g。為了提高吸附性能，可以將氧化石墨烯及殼聚糖制備成海綿狀，并且當(dāng)前的亞甲基藍(lán)吸附已經(jīng)提高至275.5 mg/g。而三維多孔β-環(huán)糊精功能化氧化石墨烯/殼聚糖水凝膠對(duì)于亞甲基藍(lán)的吸附量非常大，與Freun-dlich吸附模型十分符合。

JIANG[2]通過研究陰離子型染料甲基橙，提出了磁性殼聚糖氧化石墨烯納米復(fù)合材料，該材料對(duì)于甲基橙的吸附量最大可以達(dá)到398.08 mg/g。而后對(duì)多孔海綿狀殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料的制備及甲基橙的吸附性能等方面進(jìn)行研究，此時(shí)的甲基橙的飽和吸附量已經(jīng)達(dá)到了567.07 mg/g、689.78 mg/g。并且通過實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)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，同時(shí)降低密度。所以，在印染行業(yè)中應(yīng)用石墨烯與殼聚糖復(fù)合吸附劑，對(duì)于陽離子、陰離子型染料都具有非常大的吸附容量。另外，當(dāng)制備的材料為三維多孔的氣凝膠、海綿或是水凝膠等宏觀形式時(shí)，其吸附容量會(huì)顯著提高。

2.2 石墨烯/海藻酸鈉復(fù)合吸附劑的應(yīng)用

海藻酸鈉中含有大量的羧基，適合應(yīng)用于陽離子型的染料吸附方面；而海藻酸鈉與二價(jià)金屬離子容易交聯(lián)，從而形成凝膠微球。因此，采用 CaCl2為交聯(lián)劑用于染料吸附方面。 通過制備對(duì)叔丁基杯型芳烴改性海藻酸鈉氧化石墨烯納米復(fù)合珠，其吸附量最大可以達(dá)到170.36 mg/g。隨之出現(xiàn)了海藻酸鈣固定化氧化石墨烯復(fù)合材料，其最大吸附量可以達(dá)到181.81 mg/g。經(jīng)過研究氧化石墨烯及海藻酸鈉，將其制備成吸附劑，其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量最大情況下為157.73 mg/g。但是，石墨烯與海藻酸鈉復(fù)合對(duì)于亞甲基藍(lán)的吸附容量要高于氧化石墨烯，而低于純海藻酸鈉[3]。對(duì)其原因進(jìn)行分析，主要是由于二價(jià)金屬離子在交聯(lián)海藻酸鈉的過程中，每一個(gè)二價(jià)金屬離子都會(huì)有相鄰的兩個(gè)羧基進(jìn)行結(jié)合，從而導(dǎo)致吸附位點(diǎn)減少，最終出現(xiàn)比純海藻酸鈉的吸附容量低的情況，但是，復(fù)合吸附劑依舊保持了相對(duì)較高的吸附量，并且還顯著提升了比表面積、機(jī)械性能等，所以還是陽離子型染料實(shí)施處理的有效方式之一。

2.3 石墨烯/纖維素復(fù)合吸附劑

作為當(dāng)前自然界已知的最豐富聚合物，纖維素及其衍生物如羧甲基纖維素（CMC）已經(jīng)被制作成水凝膠，用于處理廢水。但是，因?yàn)榧兝w維素凝膠對(duì)于染料起到的吸附效果非常有限，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附容量?jī)H達(dá)到13 mg/g，所以，可以選擇在其中添加氧化石墨烯，來提高其吸附性能[4]。通過制備三維再生纖維素/氧化石墨烯復(fù)合氣凝膠，其對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量最大可以達(dá)到68 mg/g，提升了500%的純纖維素吸附能力。另外，在纖維素/氧化石墨烯復(fù)合膜上，其吸附容量已經(jīng)可以達(dá)到 85.7 mg/g。而制備羧甲基纖維素—丙烯酰胺—氧化石墨烯水凝膠，并在其中添加氨基，之后對(duì)于酸性藍(lán)的吸附進(jìn)行充分研究，發(fā)現(xiàn)最大吸附量可以達(dá)到185.45 mg/g[5]。

3 石墨烯/天然高分子復(fù)合吸附劑的再生應(yīng)用

脫附特性是評(píng)價(jià)吸附劑應(yīng)用價(jià)值的一個(gè)關(guān)鍵因素。吸附劑不僅需要具有良好的吸附性，同時(shí)還需要具有良好的脫附性，以此來降低吸附劑的成本費(fèi)用。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于吸附再生的方法研究中，電化學(xué)法、氧化法、溶劑法、加熱法等是比較常見的幾種方法。溶劑再生法優(yōu)點(diǎn)在于污染小、再生過程穩(wěn)定，并且操作簡(jiǎn)單方便，所以成為了當(dāng)前印染行業(yè)常用的一種脫附再生方法。而溶劑的選擇需要基于吸附性質(zhì)決定[6]。

其中石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料在對(duì)于陽離子型染料、金屬離子進(jìn)行吸附時(shí)，因?yàn)槲轿稽c(diǎn)屬于含氧官能團(tuán)，所以需要采用硝酸、鹽酸等酸性溶劑，H+與吸附的染料之間會(huì)形成競(jìng)爭(zhēng)作用，以此來實(shí)現(xiàn)脫附的目的。例如，SAMUELMS通過研究發(fā)現(xiàn)，在0.1 mol/L HCl溶液中添加磁性殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料1 g/L，并在10 mL溶液中開展脫附試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料對(duì)于Pb（II）的吸附率從最開始的92%，經(jīng)過連續(xù)4個(gè)循環(huán)之后，吸附率下降至78%[7]。

4 結(jié) 語

綜上所述，石墨烯與殼聚糖、海藻酸鈉、纖維素復(fù)合而形成的吸附劑可應(yīng)用在對(duì)染料、重金屬離子等的吸附中，為研究高效吸附劑提供了新的方向。但如果想要實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定、高效率的吸附效果，仍需要不斷進(jìn)行研究。