【石墨回收】：构建锂离子电池废石墨负极再生石墨烯气凝胶的物理化学协同效应实现对废水中铅的高效吸附—Ying Zheng

【论文链接】https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157623

【作者单位】武昌首义学院；湖北大学；湖北万润新能源科技股份有限公司

【论文摘要】

由于物理吸附的局限性和化学吸附方法的排他性，废水中铅的处理和处置一直是困扰工业生产的一大难题。本文以锂离子电池废石墨负极为原料，设计并合成了一种富含硫、羧基、羟基等活性官能团的独特的石墨烯气凝胶结构。

通过对石墨烯本身多孔结构的物理吸附，结合特殊官能团的化学吸附，协同作用可实现对废水中铅的高效吸附，最高可达152.70 mg/g。含铅废水的最佳吸附条件为：初始浓度为50 mg/L，在30℃下用50 mg气体吸附1h，吸附过程符合Langmuir等温吸附模型，吸附动力学符合准二级动力学方程，吸附活化能为47.29kJ/mol，表明吸附受化学反应控制。

鉴于废物回收利用的优越性，本研究为废水中重金属的物理吸附和化学吸附相结合提供了一种新的思路。

【实验方法】

LIBs废石墨阳极制备石墨烯气凝胶(气)：

LIBs废石墨阳极由湖北万润新能源科技有限公司提供。通过筛分将大颗粒和杂质分离出来，然后研磨成细颗粒，以便随后的浸出和前处理。浸出前，在马弗炉中600℃加热5h，烧掉废粉表面的乙炔黑、粘结剂和有机化合物。然后将废石墨粉与适量的硫酸(2mol/L)混合，在60℃下浸取1 h。采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定了废石墨中镍、钴、锰、锂等金属离子的含量。如支持信息表S1所列，废石墨中的主要金属(Li、Ni、Co、Mn、Fe、Al、Cu)和非金属(F、P)杂质经浸出和预处理后可大大去除。

采用改进的Hummers法对废石墨进行超声氧化剥离，制得氧化石墨烯悬浮液。在浓硫酸和浓磷酸的混合酸(180:20 mL)中加入废石墨1.5g，然后缓慢加入9 g高锰酸钾。将反应体系移至50 ℃的水浴中，连续加热10小时。将系统降至室温后，将其倒入200毫升冰中，其中含有15毫升过氧化氢，放入冰水浴中。连续搅拌后，降至室温后静置。将上清液倒出，沉淀物用10 wt.%的盐酸和去离子水洗涤，直至其呈中性。将固体浸泡在200毫升水中，超声作用2小时，不断搅拌，冷冻干燥得到海绵状氧化石墨烯(GO)固体。制备1 mg/mLGO水溶液，加入L-半胱氨酸和聚乙烯醇振荡至完全溶解。在90℃下放置2小时制备自组装rGO水凝胶，然后冷冻干燥制备气凝胶。

Pb(II) 通过GAs的吸附行为：

根据铅酸蓄电池实际生产中的含铅废水浓度，我们研究模拟了一系列浓度如下：25、50、75、100、150、200 mg/L。将不同浓度的模拟含铅废水置于50 mL锥形瓶中，加入一定剂量的GAs后将锥形瓶置于振荡器上。系统研究了含铅浓度、pH值、吸附剂用量、时间和温度对GAs吸附Pb(II)的吸附效率和吸附量的影响。

在最佳条件下进行等温线吸附实验。实验数据分别通过Langmuir、Freundlich和Tenkin吸附等温方程进行拟合，根据拟合结果确定吸附剂的吸附容量、表面性质和吸附类型。此外，吸附动力学实验在不同温度下进行。实验数据采用拟一级动力学、拟二级动力学和Elovich方程进行拟合。对此，探索了吸附反应机理，确定了吸附效率的控制步骤。

【图文摘取】

【主要结论】

基于资源化的考虑，本工作成功地从废旧锂离子电池的废石墨中回收和制备了高效的吸附气。

由于石墨烯本身的多孔结构和富含硫、羧基、羟基等活性官能团，气体吸附剂对废水中的铅(II)表现出极高的吸附能力。在初始浓度为50 mg/L、吸附温度为30℃、吸附时间为1 h的条件下，50 mg的吸附剂对废水中铅(II)的吸附效率最高可达98.30%，最大吸附容量可达152.70 mg/g，气体对铅(II)的吸附符合朗缪尔吸附等温线模型，吸附动力学符合准二级动力学方程，吸附活化能为47.29kJ/m ol，说明吸附受化学反应控制。

鉴于废物回收利用的优越性，本研究为废水中重金属的物理吸附和化学吸附相结合提供了一种新的思路。