铁氧体/石墨烯复合材料的制备及吸附性能的研究
铁氧体作为尖晶石型材料的一种，在陶瓷、压电、传感、催化、吸附、医药、信息存储等领域有着广泛的应用，是一类重要的无机功能材料，近年来在污水中重金属离子的去除方面显示了较高的吸附性能，同时鉴于本身的磁学性质，可在外磁场条件下实现简便、快捷的回收利用。然而传统物理法和化学法在制备铁氧体材料时往往需要直接或者间接的焙烧处理，因此制备所得的铁氧体纳米材料往往面临组成和结构不均一、粒径较大、比表面积较低等问题，限制了其在诸多领域的应用。同时也正是因为其本身的磁性，更加剧了其在实际生产和应用过程中的团聚，使其性能急剧下降。
鉴于石墨烯优异的物化性能和极大的理论比表面积，结合本实验室在制备尖晶石纳米铁氧体材料方面的经验，将系列尖晶石纳米材料与石墨烯复合，制备了铁氧体/石墨烯复合材料，并将其作为重金属吸附剂用于水中重金属离子的去除，对其吸附性能进行了研究。
(1)采用成核晶化隔离法和还原氧化路线相结合的方法，以硼氢化钠为沉淀剂和还原剂，以金属盐和氧化石墨为初始原料，制备了系列铁氧体/石墨烯重金属吸附剂，并利用XRD，FT-IR，Raman，SEM，TEM，XPS，TG-DTA等分析手段对所得吸附剂的组成、结构、形貌等进行了分析表征，并对制备条件进行优化，实现了尖晶石纳米粒子在石墨烯表面的高度均匀分散。
(2)将所得系列铁氧体/石墨烯吸附剂用于水中重金属离子的去除，考察了吸附温度，吸附时间，以及吸附剂的组成等因素对吸附性能的影响。结果表明:(1)复合材料相较于单纯的石墨烯和单纯的铁氧体尖晶石，吸附性能更佳;(2)系列不同种类的铁氧体/石墨烯复合材料相比，对于同一重金属Cr(Ⅵ)离子的吸附性能顺序为MnFe2O4/rGO＞NiFe2O4/rGO＞ CoFe2O4/rGO;(3)复合材料中石墨烯百分含量为15％为最佳，吸附的平衡时间为3.5小时;(4)同一复合材料随不同重金属离子的饱和吸附容量顺序为Pb(Ⅱ)＞ Cu(Ⅱ)＞ Cr(Ⅵ)。
(3)对复合材料吸附重金属离子的行为进行动力学和热力学分析，结果表明:(1)所得吸附剂的动力学模拟以准二级动力学方程为最佳，与纯相尖晶石和石墨烯相比，复合材料体现了更高的吸附速率;(2)复合材料对重金属离子的吸附以Langmuir等温方程式模拟为最佳;(3)根据热力学参数确定吸附过程为焓增，熵增，自发的反应过程。对机理探讨认为吸附过程主要与复合材料表面所含的羟基，羧基等含氧基团含量，以及重金属离子的价态，亲和能力有关。
铁氧体;石墨烯;复合材料;重金属离子;吸附性能
北京化工大学
硕士
化学工程
李峰
2013
中文
TB383;O647.31
93
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）