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、推動科技進步的同時，也隨之帶來了讓人擔(dān)憂的水資源重金屬離子污染問題。重金屬離子污染不但會造成重大經(jīng)濟損失，還會嚴重危害人體健康、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前亟待解決的問題之一。
　　作為碳系家族的新成員，自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來便受到了國內(nèi)外科技工作者的廣泛關(guān)注。近年來，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程中的良好應(yīng)

2、用前景和重大研究價值。本文通過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增韌機理及吸附機理。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Pb2+濃度為10mg/L，溶液pH為7.0，時間為40min，環(huán)境溫度為60℃時，石墨烯吸附材料凈化水質(zhì)

3、的效果達到最佳。熱力學(xué)研究表明，Langmuir吸附等溫線能更好地擬合石墨烯材料對Pb2+的吸附行為，吸附過程屬于二級動力學(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性，改善了水泥砂漿的力學(xué)性能。石墨烯增強水泥基復(fù)合材料的力學(xué)強度隨養(yǎng)護時間的延長而增大，隨石墨烯摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。當石墨烯摻量為0.02wt.％時，試件28d抗折、抗壓強度達到最大值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歸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對石墨烯

5、水泥基復(fù)合材料吸附機理進行分析發(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。在pH=7時，石墨烯水泥基材料的吸附效果達到最佳，其對Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+的去除率分別為93.22％、91.38％、81.20％、81.97％。通過對不同pH下的水泥水化產(chǎn)物進行SEM分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯水泥基材料對重

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，吸附機制主要為離子交換;隨pH增大，競爭性吸附減弱，靜電吸附量增大;隨著pH的進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離子的親和力順序為:Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Zn2+，說明石墨烯增強水泥基復(fù)合材料對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