石墨烯水泥基復(fù)合材料吸附性能研究.pdf

1、工業(yè)文明的快速發(fā)展在改善人民生活、推動(dòng)科技進(jìn)步的同時(shí)，也隨之帶來(lái)了讓人擔(dān)憂的水資源重金屬離子污染問(wèn)題。重金屬離子污染不但會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)嚴(yán)重危害人體健康、破壞生態(tài)平衡。因此，如何有效地去除廢水中的重金屬離子已成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一。
　　作為碳系家族的新成員，自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來(lái)便受到了國(guó)內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注。近年來(lái)，許多學(xué)者開展了石墨烯及其復(fù)合材料在消除水相污染物方面的研究，展現(xiàn)了石墨烯基材料在污水處理過(guò)程中的良好應(yīng)

2、用前景和重大研究?jī)r(jià)值。本文通過(guò)硝酸氧化法處理石墨烯納米片層，并將其摻入水泥砂漿中，制備了石墨烯水泥基復(fù)合材料，研究其對(duì)水中Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等四種重金屬離子的吸附效果，初步探討了石墨烯材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理及吸附機(jī)理。主要研究成果如下:
　　(1)石墨烯可以有效吸附水中Pb2+離子，且吸附容量大、吸附速率快。當(dāng)Pb2+濃度為10mg/L，溶液pH為7.0，時(shí)間為40min，環(huán)境溫度為60℃時(shí)，石墨烯吸附材料凈化水質(zhì)

3、的效果達(dá)到最佳。熱力學(xué)研究表明，Langmuir吸附等溫線能更好地?cái)M合石墨烯材料對(duì)Pb2+的吸附行為，吸附過(guò)程屬于二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。
　　(2)石墨烯的摻入在一定程度上降低了水泥砂漿的流動(dòng)性，改善了水泥砂漿的力學(xué)性能。石墨烯增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，隨石墨烯摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)石墨烯摻量為0.02wt.％時(shí)，試件28d抗折、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值12.9MPa、52.4MPa，分別提高了31.63

4、％、20.28％。采用SEM、XRD、TGA等多種微觀結(jié)構(gòu)分析方法發(fā)現(xiàn)，水泥砂漿力學(xué)性能的有效提高主要?dú)w因于石墨烯的模板效應(yīng)和填充作用。
　　(3)石墨烯的摻入顯著提高了水泥砂漿對(duì)Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等四種重金屬離子的吸附效果。與空白試樣相比，石墨烯水泥基材料對(duì)Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的去除率分別提高了10.26％、10.49％、12.2％、9.07％。利用SEM-EDS、FT-IR和XRD對(duì)石墨烯

5、水泥基復(fù)合材料吸附機(jī)理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，水泥制品依靠離子交換、物理吸附和復(fù)分解沉淀反應(yīng)等作用共同去除水中重金屬元素。
　　(4)石墨烯水泥基復(fù)合材料對(duì)重金屬離子的去除率隨溶液pH的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。在pH=7時(shí)，石墨烯水泥基材料的吸附效果達(dá)到最佳，其對(duì)Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的去除率分別為93.22％、91.38％、81.20％、81.97％。通過(guò)對(duì)不同pH下的水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行SEM分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯水泥基材料對(duì)重

6、金屬離子的主要吸附方式因溶液pH的變化而有所差異。在酸性條件下，吸附機(jī)制主要為離子交換;隨pH增大，競(jìng)爭(zhēng)性吸附減弱，靜電吸附量增大;隨著pH的進(jìn)一步增大直至中性或弱堿性，重金屬離子開始水解，生成的氫氧化物等沉淀反應(yīng)所占的比重逐漸增大。
　　(5)在四種重金屬離子共存體系中，石墨烯水泥基材料對(duì)離子的親和力順序?yàn)?Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，說(shuō)明石墨烯增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料對(duì)重金屬離子的吸附具有選擇性，這種吸附選擇順序取決于離