CN109529775A - 一种氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料的合成方法与吸附性能 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理剂技术领域，公开了一种氧化石墨烯‑氢氧化镧复合材料及合成方法，通过直接沉淀法与水/溶剂热合成法制备氧化石墨烯‑氢氧化镧复合材料(La(OH)3/GO)用其吸附和去除溶液中的刚果红(CR)和磷酸根离子(PO4 3‑)，并通过SEM、XRD、FT‑IR等对La(OH)3/GO复合材料的结构进行表征，通过在不同pH、时间、温度以及初始质量浓度等条件下对刚果红(CR)和磷酸根离子(PO4 3‑)的吸附效果进行探讨，确定了最佳吸附条件。本发明吸附效果显著，远远超过很多文献报道的吸附材料的吸附效果。

Description

一种氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料的合成方法与吸附性能
技术领域
本发明属于水处理剂技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料的合成方法与应用。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
有许多废水处理技术，如:絮凝、膜过滤、溶剂萃取、生物吸附、化学沉淀、离子交换、反向渗透、电凝聚法、烧结、电解沉淀法、混凝和吸附法等。其中吸附法以生产廉价和操作处理过程简单的优势已成为广泛采用的去除污染物的方法，设计吸附能力优异的新型吸附剂显得非常重要。
吸附剂种类很多，主要可分为3类：
第一类是为较常见的多孔吸附材料，如活性炭、沸石及吸附树脂等。
第二类是无孔吸附材料，这类材料目前研究的较少，主要包括纤维材料(如：玻璃纤维、棉纤维以及化学纤维等)、生物材料(包括藻类、壳聚糖、菌丝体及活性污泥等)和矿物材料(如高岭土、磁铁矿)等。
第三类是纳米吸附材料，由于纳米吸附材料通常具有较大的比表面积及良好的表面吸附活性，所以在近些年它已经成为环境工作者的研究焦点。目前研究最多的是碳纳米管、(氧化)石墨烯、富勒烯、二氧化钛纳米管等。
氧化石墨烯作为一种新型的单层碳原子厚度的二维材料，其表曲富含多种活性基团,主要包括大量的羟基、羧基、环氧基等含氧官能团在其表面，这些活性含氧基团的存在可以为污染物提供必要的吸附位点，大大的提高了GO的溶解性，能够有效的避免发生团聚现象，而GO对各种染料和金属离子的吸附能力主要在于其阴阳离子之间发生的作用力，所以GO具有优越的吸附性能，在处理染料废水具有非常大应用前景，但是吸附后的氧化石墨烯将会溶解在水中，很难从溶剂中提取出来，不能重复利用，造成极大浪费。
所以发明可回收的新型氧化石墨烯基金属化合物复合材料吸附剂成为新热点。
迄今为止已经合成了多种(氧化)石墨烯基金属化合物纳米材料，包括与 TiO2、ZnO、MnO2、CeO2、Fe3O4、Zn—Fe3O4、Ag3PO4、Bi2WO6等复合材料。合成氧化石墨烯-稀土化合物复合材料作为吸附剂还比较少见。这是因为大多数稀土成本较高,难以大规模推广使用。稀土氧化物更稳定,吸附能力更强。但从稀土前驱体制备稀土氧化物需要很高的分解温度，而氧化石墨烯在高温下结构会被破坏或氧化分解，导致稀土氧化物难以负载在氧化石墨烯上。稀土难溶盐吸附能力下降，一般不用做吸附剂。氧化镧等稀土氧化物负载在沸石等耐高温载体上作为吸附剂研究较多。
稀土金属镧化学性质活泼，拥有丰富的能级结构和特殊的4f外电子层结构，在水溶液中与水配位形成水和氧化物，又因为其电势小碱性大，所以水和氧化物带正电荷，对水中阴离子都具有较大吸附性。氢氧化镧吸附效果好，溶度积小，制备条件温和，能很好的负载于氧化石墨烯上。直接沉淀法的方法是最常用的制备方法。采用包括溶胶一凝胶法、水热/溶剂热方法、自组装法、喷雾热解法、化学沉淀法、微乳液法等方法制备氧化石墨烯一稀土氢氧化物复合材料也取得了不错的效果。但氢氧化物在一定条件下会与空气中的二氧化碳反应。
这些方法中有些工艺复杂，制备条件苛刻，实验的重现率低，并且得到的产品不稳定等问题。本方法操作简单、实验结果重现率高，可以得到性能稳定的产品。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术中，吸附后的纯氧化石墨烯将会溶解在水中，很难从溶剂中提取出来，不能重复利用，造成极大浪费,因此必须合成可回收的复合材料。
(2)现有技术中氧化石墨烯类复合材料负载的金属化合物主要为ZnO、 MnO2、CeO2、TiO2、Fe3O4等，吸附效果不太理想，主要用作催化剂，未见到负载La(OH)3的报道。有报道的稀土吸附剂主要有的磁性吸附剂(Fe304@Y (OH)CO3与Fe304@CeO2.nH20)和稀土氧化镧负载于沸石上等，但未与氧化石墨烯结合。这样会导致稀土化合物发生团聚现象,比表面积减小，造成吸附位点减少，吸附效果远低于稀土氢氧化物均匀负载于氧化石墨烯上产生协同作用的效果。
(3)现有技术中制备吸附性能更好的氧化石墨烯-稀土镧氧化物复合材料难度较大。稀土氢氧化镧虽然易制备，但稳定性需进一步提高。要创造条件，改善稀土氢氧化物晶型结构，增加其发生化学反应的难度。
解决上述技术问题的难度和意义：在氧化石墨烯结构和功能不被破坏的前提下,降低稀土氧化物生成温度并均匀负载到氧化石墨烯上是一个技术难点.还需改进方法使氢氧化镧负载更加均匀及结晶化,增加稳定性。氧化石墨烯和稀土化合物都有优越的吸附性能，各有独特的优势。二者的结合并产生协同效应会产生奇特的效应。特别是稀土吸附剂在磷肥工业废水处理、氮肥工业废水处理、城市生活污水处理、中水回用、深度处理、废水深度脱磷处理和深度脱氮处理应用前景广泛。因此稀土在水处理方面的应用应进行进一步深人研究,特别是在净化机制、动力学方程、表征方法、影响因素、制备工艺、改性优化等方面。我国是世界上稀土资源最丰富的国家,可以预见,随着科技的快速发展,性能优异的稀土-氧化石墨烯复合材料必将不断涌现,并将用于水处理等各个领域,改善人们的生活环境。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种氧化石墨-氢氧化镧复合材料及合成方法。本发明利用直接沉淀法和水热/溶剂热方法相结合,合成了GO/氢氧化镧复合材料并用以吸附染料及磷酸根，结果发现效果显著，远远超过很多同类吸附剂。原因是由于在GO在负载稀土的同时也削弱了自己片层之间的π—π作用力，因此能够制得高度分散的、性能优异的各种复合材料，反应过程中由于各成分之间相互形成协同效应，提高其物理和化学性能。本发明工艺简单、实验结果重现率高，可以得到性能稳定的产品。
本发明是这样实现的，一种氧化石墨-氢氧化镧复合材料，所述氧化石墨- 氢氧化镧复合材料为：La(OH)3/GO，是稀土元素镧的氢氧化物均匀沉积在氧化石墨烯表面并相互协同作用形成的一种无机纳米复合材料，拥有巨大的比表面积及众多吸附位点，是一种吸附性能极佳的纳米吸附材料。
本发明的另一目的在于提供一种氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法包括：
步骤一，用GO溶于加了去离子水的中并且通过超声波清洗机超声，加入 LaCl3、一定温度下搅拌；得到混合液1；
步骤二，将尿素水溶液加入上述混合液中再搅拌加热并且保持一定时间，冷却到室温；再加入NaOH搅拌1h，离心分离、洗涤得到合成的材料
步骤三，将合成的材料与1M尿素水溶液加乙醇混合液转入水热反应釜，反应结束后,待反应釜冷却至室温取出,产物经过滤并用乙醇及去离子水洗涤多次, 在真空烘箱中烘干24h,再移入烘箱干燥12h得到La(OH)3/GO复合材料。
进一步，步骤一，具体包括：
0.2g的GO溶于加了200mL去离子水的三颈烧瓶中并且通过超声波清洗机超声0.5h，在加入0.8g的LaCl3在60℃下搅拌反应0.5h；得到混合液1；
进一步，步骤二，具体包括：
将2mol/L的尿素水溶液加入15mL于混合液中再搅拌加热至90℃并且保持2h以上，之后冷却到室温再加入10ml1MlNaOH溶液搅拌1h。
进一步，步骤三，具体包括：
将合成的材料及1M尿素水溶液加乙醇混合液转入100ml、80％填充率的水热反应釜，100℃反应48小时，反应结束后,待反应釜冷却至室温取出,产物经过滤并用乙醇及去离子水洗涤多次,在真空烘箱中60℃烘干24h,再移入烘箱 85℃干燥得到La(OH)3/GO复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种利用氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中PO4 3-的应用方法包括：
在污水溶液pH＝5.6，吸附时间7h，吸附温度25℃吸附操作条件下，以 La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始PO4 3-质量浓度为267mg.L-1的PO4 3-溶液,最大的吸附量为442mg.g-1，循环吸附6次后回收率依然保持80％以上。
本发明的另一目的在于提供一种氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中刚果红的应用方法包括：
在污水溶液的pH＝7，吸附时间7h，吸附温度50℃的吸附条件下，以 La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始刚果红质量浓度为418.56mg.L-1的刚果红溶液。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在印染行业污水处理的应用。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在造纸行业污水处理的应用。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在冶炼行业污水处理的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明通过直接沉淀法与水热合成法制备氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料 (La(OH)3/GO)用其吸附和去除溶液中的刚果红(CR)和磷酸根离子(PO4 3-)，并通过SEM、XRD、FT-IR等对La(OH)3/GO复合材料的结构进行表征，通过在不同pH、时间、温度以及初始质量浓度等条件下对刚果红(CR)和磷酸根离子 (PO4 3-)的吸附效果进行探讨，确定了刚果红和磷酸根的最佳吸附条件分别为:， pH为7和5.6，吸附时间7h，吸附温度选择50℃和25℃。刚果红和磷酸根循环吸附6次后回收率依然保持85％和80％以上。在25℃条件下,分别对不同浓度刚果红和磷酸根用Langmuir等温吸附方程的拟合得到刚果红和磷酸根离子的最大吸附量分别为663.87mg/g和479.68mg/g。本发明吸附效果显著，远远超过很多文献报道的吸附材料的吸附效果。不同浓度的刚果红和磷酸根吸附前和吸附后浓度以及吸附量见表一。与文献发表的吸附材料对刚果红与磷酸根吸附量与本发明对比见表二和表三。
表一刚果红及磷酸根吸附前后浓度及吸附量
表二不同吸附剂对刚果红(CR)的饱和吸附量
表三不同吸附剂对磷酸根的饱和吸附量
参考文献：
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附图说明
图1是本发明实施例提供的氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法流程图。
图2是本发明实施例提供的氧化石墨烯的扫描电镜图。
图3是本发明实施例提供的SEM图。
图4是本发明实施例提供的氧化石墨烯的XRD图。
图5是本发明实施例提供的氧化石墨烯-氢氧化镧的XRD图。
图6是本发明实施例提供的GO和La(OH)3/GO复合材料的FT-IR图。
图7是本发明实施例提供的溶液pH对刚果红吸附量的影响图。
图中：■：La(OH)3/GO●：GO。
图8是本发明实施例提供的初始刚果红质量浓度对刚果红吸附量的影响图。
图中：■：La(OH)3/GO●：GO。
图9是本发明实施例提供的吸附时间对刚果红吸附量的影响图。
图中：■：La(OH)3/GO●：GO。
图10是本发明实施例提供的吸附温度对刚果红吸附量的影响图。
图中：■：La(OH)3/GO●：GO。
图11是本发明实施例提供的La(OH)3/GO复合材料的循环利用图。
图12是本发明实施例提供的溶液pH对PO4 3-吸附量的影响图。
图13是本发明实施例提供的不同质量浓度对PO4 3-吸附量的影响图。
图14是本发明实施例提供的吸附时间对PO4 3-吸附量的影响图。
图15是本发明实施例提供的吸附温度对PO4 3-吸附量的影响图。
图16是本发明实施例提供的La(OH)3/GO复合材料的循环利用图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，吸附后的氧化石墨烯将会溶解在水中，很难从溶剂中提取出来，不能重复利用，造成极大浪费。
本发明实施例提供的氧化石墨-氢氧化镧复合材料，所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料为La(OH)3/GO。
如图1，本发明实施例提供的氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法包括：
步骤一，0.2g的GO溶于加了200mL去离子水的三颈烧瓶中并且通过超声波清洗机超声0.5h，在加入0.8g的LaCl3在60℃温度下搅拌反应0.5h；得到混合液1；
步骤二，将2mol/L的尿素溶液15ml加入于混合液中再搅拌加热至90℃并且保持2h以上，之后冷却到室温加入10ml1MlNaOH溶液再搅拌1h。
步骤三，将合成的材料与1M尿素水溶液加乙醇混合液部分混合液转入 100ml、80％填充率的水热反应釜，100℃反应48小时，反应结束后,待反应釜冷却至室温取出,产物经过滤并用乙醇及去离子水洗涤多次,在真空干燥箱中 60℃烘干24h,再移入烘箱85℃干燥得到La(OH)3/GO复合材料。
本发明实施例提供的利用氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中PO4 3-的应用方法包括：
在污水溶液pH＝5.6，吸附时间7h，吸附温度25℃吸附操作条件下，以 La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始PO4 3-质量浓度为267mg.L-1的PO4 3-溶液。
本发明实施例提供的氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中刚果红的应用方法包括：
在污水溶液的pH＝7，吸附时间7h，吸附温度50℃的吸附条件下，以 La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始刚果红质量浓度为418.56mg.L-1的刚果红溶液。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
一、实验部分
1、主要原料和仪器
本发明实施提供的试验材料为：氧化石墨烯(GO)(AA，苏州碳丰科技有限公司)，氧化镧(La2O3)(AR，国药化学试剂有限公司)，氢氧化钠(NaOH) (AR，广东.汕头市西陇化工厂)，盐酸(HCl)(AR，西陇科学股份有限公司)，乙醇(C2H5OH)(AR，西陇科学股份有限公司)，四水合钼酸铵 ((NH4Mo7O24.4H2O)(AR，西陇科学股份有限公司)，磷酸二氢钾(KH2PO4)
(AR，西陇科学股份有限公司)，L(+)—抗坏血酸(C6H8O6)(AR，西陇科学股份有限公司)，刚果红(C32H22N6Na2O6S2)(AR，西陇科学股份有限公司)。
本发明实施提供的仪器为：扫描电子显微镜镜(SEM)、X射线衍射光谱仪 (XRD)、HH-4数显恒温水浴锅，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器、三颈反应瓶、756PC型紫外可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)、PERKIN-ELMER FTIR 1710型傅立叶变换红外光谱仪,精宏真空干燥箱DZF-6030、球形冷凝管, 磁力搅拌子、超声波清洗机、分析天平、多头磁力加热搅拌器、鼓风干燥箱、 pH计；
2、La(OH)3/GO复合材料吸附性能的测定：
2.1复合材料对刚果红的吸附实验：
将0.02g复合材料吸附剂加入含有100mL水的锥形瓶中，通过超声机分散10 min左右，再加入不同体积的待吸附液-(5mmol/L的刚果红储备液)。通过加入 HCl或者NaOH调节溶液的pH调为7.0，溶液总体积为200mL，放在多头磁力加热搅拌器加磁石反应12h。反应过后，取一定量的混合液通过UV-vis分光光度计来检测水中刚果红的浓度，此时检测波长是max＝498nm。吸附得到的结果通过 Langmuir模型和Freundlich模型来进行拟合，通过得到的吸附数据分析其吸附性能和确定其最大吸附量。
刚果红的浓度可以通过紫外一可见分光光度计进行分析。结果可由公式(1) 计算得出：
q＝(C0—Ce)V/m (1)
C0、Ce：溶液的初始浓度和平衡浓度(mg·L)
m：吸附剂的质量(g)V：溶液的体积(L)
2.2复合材料对PO4 3-的吸附实验
将0.02g复合材料吸附剂加入含有100mL水的锥形瓶中，通过超声机分散10 min左右，再加入不同体积的待吸附液(5mmol/L的刚果红储备液)。通过HCl 或者NaOH调节溶液的pH调为5.6，总体积固定到200mL，放在多头磁力加热搅拌器加磁石反应12h。反应过后，取一定量的混合液，加入2ml钼酸铵和3ml抗坏血酸，在通过UV-vis分光光度计来检测水中PO4 3-的浓度，检测波长是max＝710 nm。吸附结果通过Langmuir模型和Freundlich模型进行拟合。通过得到的吸附数据分析其吸附性能，确定最大吸附量。
PO4 3-的浓度可由上文的公式(1)计算得出。
二、下面结合结果对本发明作进一步描述。
2.1、GO和La(OH)3/GO复合材料的材料表征：
2.1.1、扫描电镜(SEM)：
从图2中可以观察到氧化石墨烯呈现出的是片层结构，像丝带一样。其片层很薄，在边缘上本发明可以看到有因超声脱落下的大小不一的氧化石墨烯，这是由于GO的分散性好，均匀分散于水中。
从图3中本发明可以看出蜂窝状的La(OH)3负载在GO上面，负载了La(OH)3的GO片层出现小孔隙，这是由于La(OH)3/GO复合材料比表面积变大，活性位点增多，GO在负载稀土的同时也削弱了自己片层之间的π—π作用力，因此能够制得高度分散的、性能优异的复合材料，在反应过程中各成分相互之间形成协同效应，从而能够克服传统材料的缺点，提高其物理和化学性能。
2.1.2X射线衍射光谱仪(XRD)：
由图4本发明可以得到XRD分析结果:GO的最高峰位置在2θ＝10°～11°，象征了GO的层状结构，也表明了GO具备很好的晶体结构。
通过XRD分析，如图5本发明可以知道，2θ＝28°有最高峰，其他位置也有一些峰，如：2θ＝18°、40°、48°等，还有一些峰强度不大的小峰，这说明La(OH)3/GO 复合材料不仅具有原GO的优异性能还具备良好的晶体结构和更大的比表面积以及更多的吸附位点。
2.4.3傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)：
从图6中看出，GO的O-H的伸缩振动峰在3390cm-1和1220cm-1处，这是由sp2碳骨所引起的,C-O-C伸缩振动峰，C-OH伸缩振动峰和C＝C伸缩振动峰分别为1050cm-1,1400cm-1和1620cm-1，在1720cm-1处有-COOH基团上的C＝O 的伸缩振动峰，这些峰说明了GO上含有羧基、羟基和环氧基等含氧官能团。
如图6所示La(OH)3/GO样品分别出现了O-H(3310cm-1),C＝O(1490cm-1、 1430cm-1),C-OH(1070cm-1)，以及C-O(1047cm 1)等官能团的红外特征吸收峰，这说明在负载La(OH)3氧化物的过程中并没有改变GO表面的多种含氧基团，反而增加了比表面积。
2.2复合材料对吸附刚果红的结果：
2.2.1pH对吸附刚果红的影响：
pH对吸附剂的影响是非常大的，因此选择一个合适的pH是吸附剂得到最大吸附量的前提之一。选择初始刚果红质量浓度为17.32mg.L-1，吸附时间为12h，吸附温度为34℃的条件下，pH对GO、La(OH)3/GO的影响如图7所示，通过图6可以得到最佳的吸附pH为7，此pH下的最大吸附量分别为75mg.g-1、 145.64mg.g-1,且在pH为7的条件下，La(OH)3/GO对刚果红染料的吸附效果优于GO，这是由于GO-La(OH)3吸附刚果红染料是多种反应共同作用的结果所导致的：
当溶液pH为7时，La(OH)3/GO表面带正电荷，而CR为阴离子染料，带负电，La(OH)3/GO对CR的作用为静电吸附；
1.当pH<7时，多余H+的与阴离子染料结合，影响吸附位点的吸附，因此在低pH时，吸附剂的吸附性能较差；
2.当pH>7时，吸附性能下降是因为OH一的存在不利于偶氮键的还原，且与CR阴离子竞争吸附位点。
因此，pH为7左右吸附效果是最好的。
2.2.2浓度对吸附刚果红的影响：
在溶液选择为pH为7，吸附时间选择为12h，吸附温度选择为34℃的操作条件下，初始刚果红质量浓度对刚果红吸附量的影响如图8，由图8可知，随着初始刚果红质量浓度的不断增大，刚果红的吸附量也随之增大，但是当吸附剂含量一定时，随着刚果红质量浓度的不断增大，其与刚果红的有效碰撞几率就会增大，吸附量也会增大。当吸附剂吸附达到饱和后，其表面的吸附位点就会被吸附物完全占据，吸附量在此时就会达到平衡。由于La(OH)3/GO的比表面积大，吸附位点就会增多，所以La(OH)3/GO的吸附量会大于GO。
2.2.3时间对吸附刚果红的影响：
吸附剂吸附物质分为两个过程(内扩散和外扩散)，所以需要一定的吸附时间才能够达到本发明想要的吸附平衡，因此，吸附时间对刚果红的吸附量也会有较大的影响，在刚果红溶液的pH为7，初始质量浓度为418.56mg.L-1，吸附温度为34℃的吸附条件下，吸附时间对刚果红吸附量的影响如图9，由图9可知：在吸附开始的前4h,刚果红的吸附量随着时间的增多而增大，当吸附时间为 5-7h的时候，吸附量的增加减缓，且在7h左右的时候吸附量基本是处于平衡状态，因此，选择吸附时间为7h。
2.2.4温度对吸附刚果红的影响：
在选择溶液的pH为7，初始质量浓度选择为418.56mg.g-1，吸附时间选择为7h的吸附操作条件下，各个吸附温度对刚果红吸附量的影响如图10所示。由图10可知，在吸附温度为20-30℃的时候，以La(OH)3/GO为吸附剂，吸附量的增加缓慢，但30-50℃的时候，随着温度的增高，吸附量逐渐增大，当温度升高到50℃后，吸附量趋于平衡且有些许下降，而以GO为吸附剂的时候，随着温度的升高，吸附量虽然在增大，但是效果不明显，所以，吸附温度选择50℃。
2.2.5复合材料吸附刚果红的循环再生：
吸附剂作为日常生活中处理水体污染的主角，不仅需要其高效快速，主要在于能够循环再生，La(OH)3/GO复合材料在初次对刚果红的吸附后，通过乙醇浸泡2天，用去离子水清洗数遍放鼓风干燥箱烘干后循环使用，通过图11本发明可知，循环使用6次后，回收率下降不明显，所以La(OH)3/GO复合材料可以重复使用。
2.2.6复合材料吸附刚果红的吸附等温线：
在本次实验中，本发明用Langmuir等温吸附方程(见式(2)),Freundlich 等温吸附方程(见式(3))来描述最佳吸附条件下La(OH)3/GO复合材料对刚果红的吸附过程。
ρe/qe＝ρe/qm+1/bqm
㏒qe＝㏒kf+(1/n)㏒ρe (3)
ρe：吸附平衡时的溶液中刚果红质量浓度，mg/L
qe：平衡吸附量，mg/g qm：饱和吸附量，mg/g
b：Langmuir吸附系数，L/mg kf、n：Freundlich常数
表1等温吸附方程的拟合结果
由表1可知，Langmuir等温吸附方程和Freundlich等温吸附方程都能够对 La(OH)3/GO复合材料吸附刚果红的吸附过程进行描述，但是Langmuir R2为 0.9992更能够准确的描述其吸附过程，本发明根据Langmuir等温吸附方程拟合可得它的饱和吸附量为663.87mg/g。
2.2.7小结
通过实验可得，在溶液的pH选择为7，吸附时间选择7h，吸附温度选择 50℃的最佳吸附条件下，以La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始刚果红质量浓度为418.56mg.L-1的刚果红溶液，最大的吸附量为532mg.g-1，循环吸附6 次后回收率依然保持85％以上。将不同浓度刚果红及对应吸附量代入Langmuir 等温吸附方程，拟合可得它的最大饱和吸附量为663.87mg/g，吸附效果显著，大大超过文献报道的复合材料的吸附量。
2.3复合材料对PO4 3-的吸附结果：
2.3.1复合材料对PO4 3-的吸附实验
将0.02g复合材料吸附剂加入含有100mL水的锥形瓶中，通过超声机分散10 min左右，再加入不同体积的待吸附液(5mmol/L的刚果红储备液)。通过HCl 或者NaOH调节溶液的pH调为5.6，总体积固定到200mL，放在多头磁力加热搅拌器加磁石反应12h。反应过后，取一定量的混合液，加入2ml钼酸铵和3ml抗坏血酸，在通过UV-vis分光光度计来检测水中PO4 3-的浓度，检测波长是max＝710 nm。吸附结果通过Langmuir模型和Freundlich模型进行拟合。通过得到的吸附数据分析其吸附性能，确定最大吸附量。
PO4 3-的浓度可由上文的公式(1)计算得出。
2.3.2pH对吸附PO4 3-的影响：
pH对吸附剂的影响是非常大的，因此选择一个合适的pH是吸附剂得到最大吸附量的前提之一。在选择初始PO4 3-质量浓度为53.12mg.L-1，吸附时间选择为12h，吸附温度选择为25℃的条件下，pH对La(OH)3/GO的影响如图12 所示，通过图12得出最佳的吸附pH为5.6，此时最大吸附量为388.26mg.g-1,这是由于La(OH)3/GO吸附PO4 3-是多种反应共同作用的结果所导致的：由于稀土金属带正电荷，对带负电荷的PO4 3--有较大的吸附性且GO比表面积大，有较多的活性位点，但是由于pH在5-7时La(OH)3/GO含氧官能团去质子化程度加强，使其与PO4 3-之间的相互作用增强，因此拥有很强的吸附能力，所以，选择溶液pH为5.6。
2.3.3浓度对吸附PO4 3-的影响
在溶液pH为5.6，吸附时间选择12h，吸附温度选择为25℃的条件下，初始PO4 3-质量浓度对PO4 3-吸附量的影响如图13，由图13可知，随着初始PO4 3-质量浓度的不断增大，PO4 3-的吸附量也会随之增大，当吸附剂含量一定时，随着PO4 3-质量浓度的不断增大，其与PO4 3-的有效碰撞几率增大，吸附量就会增大。当吸附量达到饱和后，吸附剂表面的吸附位点就会被吸附物完全占据，吸附量因此会达到平衡，此时的最大吸附量为421.32mg.g-1。
2.3.4时间对吸附PO4 3-的影响
吸附剂吸附物质分为两个过程(内扩散和外扩散)，所以需要一定的吸附时间才能够达到本发明想要的吸附平衡，因此，吸附时间对于PO4 3-的吸附量也会有较大的影响，在PO4 3-溶液的pH为5.6，初始质量浓度为267mg.L-1，吸附温度为25℃的吸附条件下，吸附时间对PO4 3-吸附量的影响如图14，由图14可知：在吸附开始的前4-7h,PO4 3-的吸附量随着时间的增多而增大，且在7h之后吸附量基本处于平衡状态，因此，选择吸附时间为7h。
2.3.5温度对吸附PO4 3-的影响
在溶液的pH选择为5.6，初始质量浓度选择为267mg.L-1，吸附时间选择为7h的吸附操作条件下，吸附温度对PO4 3吸附量的影响如图15所示。由图15 可知，以La(OH)3/GO为吸附剂，随着实验的吸附温度的不断升高，吸附量就会逐渐减小，因此，本发明可以通过曲线图得到：吸附温度选择25℃为最佳吸附温度。
2.3.6复合材料吸附PO4 3-溶液的循环再生：
吸附剂作为日常生活中处理水体污染的主角，不仅需要其高效快速，主要在于能够循环再生，La(OH)3/GO复合材料在初次对PO4 3-溶液的吸附后，通过 NaOH溶液浸泡2天，用去离子水清洗数遍放鼓风干燥箱烘干后循环使用，通过图16本发明可知，循环使用6次后，回收率下降不明显，所以La(OH)3/GO复合材料可以重复使用。
2.3.7复合材料吸附PO4 3-的吸附等温线
在本实验中，本发明采用Langmuir等温吸附方程(见式(2)),Freundlich 等温吸附方程(见式(3))来描述最佳吸附条件下La(OH)3/GO复合材料对PO4 3-的吸附过程。
表2等温吸附方程的拟合结果
由表2可知，Langmuir等温吸附方程和Freundlich等温吸附方程都能够对 La(OH)3/GO复合材料吸附PO4 3-的吸附过程进行描述，通过比较两种模型本发明可以得出Langmuir的R2＝0.9992，更能够准确的描述其吸附过程，根据 Langmuir等温吸附方程拟合得到的饱和吸附量为479.68mg/g。
三、下面通过效果对本发明作进一步描述。
通过上述实验可得，在溶液pH选择为5.6，吸附时间选择为7h，吸附温度选择为25℃的最佳吸附操作条件下，以La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始PO4 3-质量浓度为267mg.L-1的PO4 3-溶液，最大的吸附量为421mg.g-1，循环吸附6次后回收率依然保持80％以上。将不同浓度PO4 3-及对应吸附量代入 Langmuir等温吸附方程，拟合可得它的最大饱和吸附量为479.68mg/g，吸附效果显著，大大超过现有技术报道的复合材料的吸附量。
本发明通过直接沉淀法制备得到复合材料，复合材料采用了一种快速高效，工艺简单，无二次污染的吸附剂对刚果红和PO4 3-进行吸附研究，通过对pH、时间、温度以及初始质量浓度对污染物进行探究得到最佳的吸附条件，通过 Langmuir模型分析得到刚果红和PO4 3-的最大吸附量分别为663.78mg/g、 479.68mg/g，吸附效果显著且吸附剂可重复利用，成为水体污染处理过程中去除染料和磷污染的高效、绿色吸附剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料的合成方法，其特征在于，所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法包括：
步骤一，用GO溶于加了去离子水的中并且通过超声波清洗机超声，加入LaCl3、一定温度下搅拌；得到混合液1；
步骤二，将尿素水溶液加入上述混合液中再搅拌加热并且保持一定时间，冷却到室温；再加入氢氧化钠溶液搅拌1h,离心分离、洗涤得到合成的材料；
步骤三，将合成的材料与尿素水溶液加乙醇混合液转入水热反应釜，反应结束后,待反应釜冷却至室温取出,产物经过滤并用乙醇及去离子水洗涤多次,在真空干燥箱中烘干,再移入烘箱中烘干得到La(OH)3/GO复合材料。
2.如权利要求1所述的氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法，其特征在于，步骤一，具体包括：
0.2g的GO溶于加了200ml去离子水的三颈烧瓶中并且通过超声波清洗机超声0.5h，在加入0.8g的LaCl3在60℃下搅拌反应0.5h；得到混合液1。
3.如权利要求1所述的氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法，其特征在于，步骤二，具体包括：
将2mol/L的尿素水溶液加入15ml于混合液中再搅拌加热至90℃并且保持2h以上，之后冷却到室温，加入10ml的1MNaOH溶液再搅拌1h。
4.如权利要求1所述的氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法，其特征在于，步骤三，具体包括：
将合成的材料与1M尿素水溶液加乙醇混合液转入100ml、80％填充率的水热反应釜，100℃反应48小时，反应结束后,待反应釜冷却至室温取出,产物经过滤并用乙醇及去离子水洗涤多次,在真空干燥箱中60℃烘干24h,再移入烘箱85℃干燥12h得到La(OH)3/GO复合材料。
5.一种如权利要求1所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料的合成方法的氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-氢氧化镧复合材料为稀土元素镧的氢氧化物均匀沉积在氧化石墨烯表面并相互协同作用形成的一种无机纳米复合材料，分子式为：La(OH)3/GO。
6.一种利用权利要求5所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中PO4 3-的应用方法，其特征在于，所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中PO4 3-的应用方法包括：
在污水溶液pH＝5.6，吸附时间7h，吸附温度25℃吸附操作条件下，以La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始PO4 3-质量浓度为267mg.L-1的PO4 3-溶液。
7.一种利用权利要求5所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中刚果红的应用方法，其特征在于，所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在吸附污水中刚果红的应用方法包括：
在污水溶液的pH＝7，吸附时间7h，吸附温度50℃的吸附条件下，以La(OH)3/GO复合材料为吸附剂处理初始刚果红质量浓度为418.56mg.L-1的刚果红溶液。
8.一种利用权利要求5所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在印染行业污水处理的应用。
9.一种利用权利要求5所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在造纸行业污水处理的应用。
10.一种利用权利要求5所述氧化石墨-氢氧化镧复合材料在冶炼行业污水处理的应用。
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