一种刚果红染料吸附剂、制备和利用其处理刚果红染料废水的方法

摘要

本发明涉及刚果红染料吸附剂、制备和利用其处理刚果红染料废水的方法。刚果红染料吸附剂为氧化镁复合氧化石墨烯材料，微观形貌为由纳米片自主装形成的花球形状；其中，氧化镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.001?0.01。本发明通过在氧化镁基体中复合适当量的氧化石墨烯形成的刚果红染料吸附剂可明显提升其吸附去除刚果红的性能，达到高效去除阴离子染料刚果红的目的。

说明书

技术领域

本发明属于染料吸附技术领域，特别涉及一种刚果红染料吸附剂、制备和利用其处理刚果红染料废水的方法。

背景技术

染料被广泛应用于纺织、造纸、塑料加工以及食品等行业，在印染行业中，每加工1吨纺织品需要消耗100-200吨水，其中80％-90％最终将成为废水，这些废水中所含有的有机染料将随着废水的排放进入地下水系统，给水中生物及人类生活带来巨大的破坏。因此，染料废水的治理工作受到了人们的广泛关注；刚果红是一种典型的联苯胺类直接偶氮的阴离子染料，其在生产和使用过程中流失率高，易进入水体，对生态环境有破坏作用。刚果红染料废水具有水质变化大、色度和COD高等特点，是染料废水中常见的污染物之一。

现代废水主要有三种处理方法，分别为物理作用、化学分解法以及生物分解法。具体包括有吸附、萃取、离子交换、电渗析、反渗透、电催化氧化法等，这些方法可以成功的实现废水脱色的工业化，但是操作过程都比较复杂，甚至有可能造成二次污染；且近年来新型染料品种日渐增多，并向着抗光解、抗氧化、康降解的方向发展，使得染料废水的处理难度加大。而吸附法是利用吸附剂对液体或气体中某组分具有选择性吸附的能力，使其暂时沉积在吸附剂上，从而实现从混合物中分离该组分的目的，该过程操作安全简便、无二次污染。其中，活性炭在废水处理中呈现了很好的性能，但是却价格昂贵。

综上，现有技术中吸附法处理染料废水仍具有很大的优势，而吸附法处理废水过程中所使用的吸附剂仍未达到理想的效果，综合性能优异的新型染料吸附剂的研发仍然是当前该技术领域科研工作的热点和难点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的处理刚果红染料废水中的不足，提供一种高效去除废水中刚果红染料的刚果红染料吸附剂、制备方法和利用其处理刚果红染料废水的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

刚果红染料吸附剂，该吸附剂为氧化镁复合氧化石墨烯材料，其微观形貌为由纳米片自主装形成的花球形状，其中，氧化镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.001-0.01。

按上述方案，所述的刚果红染料吸附剂的BET表面积至少大于84m²/g。

按上述方案，氧化镁以镁计与氧化石墨烯的质量百分数为1:0.001-0.005。

一种高效去除废水中刚果红染料吸附剂的制备方法，其具体步骤为:将氧化石墨烯粉末置于乙二醇中超声5～10h，得到氧化石墨烯溶液；将醋酸镁颗粒、聚乙烯吡咯酮粉末溶解在乙二醇溶液中，醋酸镁颗粒与聚乙烯吡咯酮粉末的质量与乙二醇溶液的体积比值分别为1～1.5g:100ml，优选为1.1g:100ml以及0.5～1g:100ml，优选为0.8g:100ml；加入上述配制好的氧化石墨烯溶液，常温搅拌形成均一的复合溶液；将上述溶液转移至水热反应釜中120～180℃并保温3～12h，然后后处理，将水热反应产物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为300～500℃，煅烧时间为1～3h，自然冷却后即可得到氧化镁复合氧化石墨烯微球。

按上述方案，所述的后处理为反应结束后，待反应釜冷却至室温，通过离心得到白色或灰色的粉末状样品，然后水洗干燥。

一种利用上述刚果红染料吸附剂处理刚果红染料废水的方法，其具体步骤为：将刚果红染料吸附剂加入到含有刚果红染料的废水溶液中，混匀后震荡使刚果红染料吸附剂充分吸附刚果红，然后过滤分离，除去吸附了刚果红染料的氧化镁复合氧化石墨烯吸附剂。

按上述方案，上述氧化镁复合氧化石墨烯吸附剂去除废水中刚果红染料的方法中，刚果红废水溶液的初始浓度为10～80mg/L，每50mL刚果红溶液中加入的吸附剂用量为0.01～0.1g；所述震荡吸附条件：吸附温度为30～50℃，震荡吸附时间为5min～12h，优选为60min-12h，pH值为6～7。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的吸附剂具有较高的比表面积以及较低的成本，且环境友好，中性或弱酸性条件下具有良好的稳定性等特点。

(2)本发明通过在氧化镁基体中复合适当量的氧化石墨烯形成的具有由纳米片自主装形成的花球形状微观形貌的氧化镁复合氧化石墨烯刚果红染料吸附剂可明显提升其吸附去除刚果红的性能，达到高效去除阴离子染料刚果红的目的。该复合材料1h即可达到吸附平衡，刚果红染料的去除率可达95.0％以上，最大吸附量可达237.0mg/g。

(3)本发明提供的氧化镁复合氧化石墨烯微球吸附剂去除刚果红染料的方法具有无需特殊设备，步骤简便快捷，处理过程中不会引入其他有害物质，吸附速率快，吸附效率高等特点。

附图说明

图1为氧化镁微球MG0的场发射扫描电镜照片。

图2为试验一氧化镁复合氧化石墨烯微球MG0.1的场发射扫描电镜照片，其中氧化石墨烯的含量为0.1％。

图3为试验一氧化镁复合氧化石墨烯微球MG0.5的场发射扫描电镜照片，其中氧化石墨烯的含量为0.5％。

图4为试验一氧化镁复合氧化石墨烯微球MG1.0的场发射扫描电镜照片，其中氧化石墨烯的含量为1.0％。

图5为测到的吸附前后的氧化镁复合氧化石墨烯吸附剂的红外光谱图。

图6为刚果红染料废水的处理实例中不同氧化石墨烯加入量下吸附时间与吸附量的关系曲线图。

图7为试验一的刚果红染料废水的处理实例中刚果红溶液浓度与吸附量之间的关系曲线图。

图8为试验一的刚果红染料废水处理的处理实例中吸附温度与吸附量之间的关系曲线图。

图9为复合材料吸附刚果红的吸附示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于显示本发明的范围；应当指出的是，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面结合以下具体实施例进一步阐述本发明。利用刚果红染料吸附剂处理含有刚果红染料的废水溶液的方法：将刚果红染料吸附剂加入到含有刚果红染料的废水溶液中，混匀后震荡一段时间使吸附剂充分吸附刚果红染料，然后过滤分离，除去已吸附刚果红染料的氧化镁复合氧化石墨烯吸附剂。

利用刚果红染料吸附剂吸附去除刚果红染料条件的确定：

通过设定不同的吸附时间，不同的吸附剂投入量，吸附温度，刚果红废水中刚果红的初始浓度，绘制吸附剂的吸附量Q随吸附时间t、溶液初始浓度C₀、吸附温度T等因素的变化图，考察氧化镁复合氧化石墨烯去除刚果红的最佳吸附条件。

采用可见光光度法测出某一时刻溶液在波长为496nm处的吸光度A，根据C＝K·A计算出其浓度，K为吸光系数(L/mol)，然后按照(1)式计算刚果红的去除率，按照(2)式计算吸附剂的吸附量。

R＝(C₀-C_t)/C₀*100％(1)

Q＝(C₀-C_t)V/m(2)

其中：R为刚果红的去除率，Q为吸附剂的吸附量(mg/g),C₀为刚果红溶液的初始浓度(mg/L)，C_t为吸附后溶液中刚果红的浓度(mg/L)，V为用于吸附的刚果红溶液的体积(L)，m为氧化镁复合氧化石墨烯加入的质量(g)。

实施例1-4

在同一温度下，以吸附时间为单一变量，考察上述制备获得的不同氧化石墨烯加入量时吸附时间对吸附效果的影响。具体实验步骤：首先，在30℃下，称取上述制备好的氧化石墨烯含量分别为0％，0.1％，0.5％，1.0％的氧化镁复合石墨烯微球10mg加入50mL，50mg/L刚果红染料溶液(自然pH值6-7)中，置于摇床中震荡，其中氧化石墨烯含量为0％，0.1％，0.5％，1.0％分别对应实施例1，2，3，4；震荡5min，离心分离，采用可见分光光度法测吸附后刚果红溶液浓度。然后，每隔5min重复以上实验操作。氧化石墨烯含量为0.5％的吸附剂MG0.5吸附刚果红染料前后的氧化镁复合氧化石墨烯材料的红外光谱图见图5，吸附时间对吸附量的影响结果见图6。

图5可以看出，吸附剂吸附刚果红前后的红外光谱图有明显的相似性，说明该吸附剂很稳定；吸附前吸附剂的谱图中3446cm^-1处出现了一个大的宽峰，该峰是由水分子或离子交换产生的-OH基团的伸缩振动所产生；1637cm^-1处的吸收峰可能对应0-H键的弯曲振动；2337cm^-1处的弱峰则是样品中吸附少量的CO₂气体的C-O键的伸缩振动产生；吸附后的吸附剂红外谱图中，1041cm^-1和1401cm^-1处有两个很小的红外峰则是由有机染料刚果红骨架中C-C以及C-O-C的伸缩振动所产生；同时1201cm^-1处的红外峰则是刚果红染料分子中-SO₃^-基团的红外特征峰，以上三个红外峰的存在充分说明了吸附后的MG0.5样品上存在着刚果红染料分子。

由图6可知：

(1)随着吸附时间的延长，吸附量逐渐增大。达到一定长的吸附时间时，吸附量基本稳定。(2)吸附剂中氧化石墨烯含量对吸附剂的吸附量有直接影响。随着吸附剂中氧化石墨烯的含量的增加，吸附量呈现先增加后下降的趋势，即氧化石墨烯的加入量大于一定值时，吸附量基本不再增加。氧化石墨烯含量为0.5％的MG0.5吸附剂在同等条件下吸附去除刚果红效果最佳，其吸附量为228.7mg/g，去除率可达92％。

表1：不同氧化石墨烯含量的吸附剂对吸附剂比表面积的影响

APS:平均孔径；PV:孔体积.

上表可以看出，所有复合了氧化石墨烯的样品比表面积均大于纯的氧化镁样品，这是因为氧化石墨烯具备远大于纯氧化镁的比表面积，并且其存在抑制了MgO纳米片的聚集。提高吸附剂的比表面积可提高其吸附性能，然而MG1.0样品虽然具有最大的比表面积，其吸附量却不是最大的。这主要是因为本发明中刚果红吸附效果的提高不只简单地决定于比表面积，而是由该复合材料的比表面积大小和Zeta电势共同影响决定的。

不同氧化石墨烯含量的吸附剂对吸附剂表面电势的影响如下(见表2)：在pH值为7左右的水溶液中，GO的Zeta电势为-25.4mV，MG0样品的Zeta电势为12.0mV，MG0.1样品的Zeta电势为11.8mV，MG0.5样品的Zeta电势为11.4，而MG1.0样品的Zeta电势则降为9.5mV。

表2不同氧化石墨烯含量的吸附剂对吸附剂表面电势的影响

具体说明如下：当水溶液pH值为7时，氧化镁微球表面带有正电荷。这是因为MgO具有较高的等电点，当环境pH值小于其等电点时，其表面带有正电荷。而当氧化石墨烯复合到MgO微球上之后，GO-MgO复合材料的zeta电势会随之下降。由此不同氧化石墨烯含量的引入会影响GO-MgO复合材料，进而影响其表面带电情况，最终影响其对刚果红染料的吸附量。

该复合材料吸附刚果红的吸附示意图见图9。当刚果红染料分子溶于水后，氧化镁复合氧化石墨烯微球利用其表面吸附的氢离子作用，可使刚果红有效地附着于吸附剂表面，由此达到高效吸附去除刚果红的目的。

最终，本发明通过控制GO-MgO复合材料中GO的含量为0.1-1％，更优选为0.1-0.5％，可明显提高该复合材料的刚果红吸附性能。

实例5-8

在同一温度下，以刚果红溶液的初始浓度为单一变量，考察不同氧化石墨烯加入量时刚果红溶液中的初始浓度对吸附效果的影响。具体实验步骤：首先，在30℃下，称取制备好的氧化石墨烯含量分别为0％，0.1％，0.5％，1.0％的氧化镁复合石墨烯微球10mg加入50mL，10mg/L刚果红染料溶液(自然pH值6-7)中，置于摇床中震荡，其中氧化石墨烯含量为0％，0.1％，0.5％，1.0％分别对应实施例5，6，7，8；震荡12h，离心分离，采用可见分光光度法测吸附后刚果红溶液浓度。然后，改变刚果红溶液的初始浓度为20mg/L，30mg/L，40mg/L，50mg/L，60mg/L，70mg/L，80mg/L，重复以上实验操作，溶液浓度对吸附剂吸附刚果红溶液的影响见图7。

由图7可知：刚果红溶液的初始浓度是吸附效果的一个重要影响因素。刚果红溶液的初始浓度在10～80mg/L的范围内，吸附剂的平衡吸附量整体呈现增加趋势，且增加率逐渐减小。在所有样品中，MG0.5样品表现出最佳吸附性能，在吸附达到平衡后，其最大吸附量可高达237.0mg/g。这主要是由于吸附剂表面的活性位点数目有限，当刚果红染料浓度达到一定值时，活性位点吸附刚果红分子的数量达到饱和，吸附量不再上升。故在浓度较低时，平衡吸附量随着浓度增加上升的速率较快，当浓度达到某一个临界值时，平衡吸附量基本不再随浓度的变化而变化。

实例9-11

以MG0.5为例，以温度为单一变量，考察不同温度对吸附效果的影响。首先，在30℃下，称取制备好的氧化石墨烯含量分别为0.5％的氧化镁复合石墨烯微球10mg加入50mL，50mg/L刚果红染料溶液(自然pH值6-7)中，置于摇床中震荡12h后，离心分离，采用可见分光光度法测吸附后刚果红溶液浓度。然后，改变环境温度为40℃，50℃，重复以上实验操作，温度对吸附剂吸附刚果红溶液的影响见图8。从图8可以看出，在30-50℃的吸附范围内，随温度增加，吸附量逐渐增大，吸附效果越好。

实例12

以MG0.5为例，在同一温度下，考察吸附剂加入量对吸附效果的影响。在30℃下，称取制备好的氧化石墨烯含量为0.5％的氧化镁复合石墨烯微球100mg，加入200ml，50mg/l刚果红染料溶液中，置于摇床中震荡12h后，离心分离，采用可见光光度法测吸附后刚果红溶液浓度。通过计算可得：染料去除率高达97.8％。

上述实例1-11中使用的刚果红染料吸附剂的制备如下：

将氧化石墨烯粉末置于乙二醇中超声5h，得到氧化石墨烯溶液；将醋酸镁颗粒、聚乙烯吡咯酮粉末溶解在乙二醇溶液中，醋酸镁颗粒和聚乙烯吡咯酮粉末的质量与乙二醇溶液的体积比值分别为1.1g:100ml和0.8g:100ml；加入上述配制好的一定量的氧化石墨烯溶液，常温搅拌形成均一的复合溶液；将上述溶液转移至水热反应釜中150℃并保温5h，将水热反应后产物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h，自然冷却后分别得到氧化石墨烯含量分别为0％，0.1％，0.5％，1.0％的氧化镁复合石墨烯微球MG0，MG0.1，MG0.5，MG1.0。

MG0的制备中：不加氧化石墨烯溶液。

MG0.1的制备中：醋酸镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.001。

MG0.5的制备中：醋酸镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.005。

MG1.0的制备中：醋酸镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.01。

不同氧化石墨烯加入量的氧化镁复合氧化石墨烯微球的场发射扫描电镜照片如图1至图4所示，由图可以看出，该吸附剂微观形貌是由纳米片自主装形成的花球形状，且氧化石墨烯的加入不影响其形貌。

上述实例12中使用的刚果红染料吸附剂的制备如下：

将氧化石墨烯粉末置于乙二醇中超声8h，得到氧化石墨烯溶液；将醋酸镁颗粒、聚乙烯吡咯酮粉末溶解在乙二醇溶液中，醋酸镁颗粒与聚乙烯吡咯酮粉末的质量与乙二醇溶液的体积比值分别为1.4g:100ml和0.6g:100ml；加入上述配制好的氧化石墨烯溶液，常温搅拌形成均一的复合溶液，醋酸镁以镁计与氧化石墨烯的质量比为1:0.005；将上述溶液转移至水热反应釜中180℃并保温3h，将水热反应后产物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为1h，自然冷却后分别得到氧化镁复合氧化石墨烯微球MG0.5。