PNSMI热点 | 氧化石墨烯包覆生物聚合物海绵用于有机染料吸附剂

研究背景

有机染料的广泛应用对当前的环境问题产生了重大影响，不同的有机染料，包括阴离子染料、活性染料和阳离子染料等，都有很大的毒性，含有大量复杂的芳香环，稳定性好，难以生物降解。目前混凝、分离和离子交换技术已被有效地应用于污染水或废水的脱色，但是成本较高；吸附法则被认为是染料污染水/废水处理中最成功和最简单的技术之一，主要是因为其成本低，设计简单，灵活，易于操作。例如壳聚糖(CTS)、明胶(GEL)、聚乙烯醇(PVA)等具有生物可降解性、生物相容性、抗菌性、无毒性的生物高聚物近年来受到广泛关注。

研究方法

本研究将明胶-壳聚糖-聚乙烯醇交联混合物的生物聚合物海绵浸入氧化石墨烯溶液中，通过简单的浸涂和冷冻干燥相结合的方法形成复合海绵，应用于有机染料的海绵状吸附剂。采用扫描电子显微镜分析了样品的形态特征，在D8 ADVANCE上进行了x射线衍射(XRD)分析，通过压缩试验确定试样的力学性能，并通过紫外可见分光光度计在室温下对染料进行了紫外可见光谱吸附实验。

实验结果解析

图2. 使用SEM图像来解释PS和氧化石墨烯涂层PS的结构形态学变化。通过浸涂法，氧化石墨烯薄片有效地组装在聚合物基体中(图2E)，因此获得的细胞结构能够显著影响染料去除性能、再生能力和力学性能。

图3. 拉曼分析。PS显示出一个宽峰位于晶体区域的20.1°，而氧化石墨烯片的尖峰位于氧化石墨烯片的10.3°，对应于氧化石墨烯片的平面间距。在PS上涂覆氧化石墨烯薄片后，在CS中可以明显地看到23.9°的宽峰，这可能是由于无定形结构的存在，表明氧化石墨烯薄片与PS有效结合，这可能与分子间晶体有关，即-COOH基团与-NH2基团的相互作用，或-OH基团与-COOH / -NH2基团的相互作用。

3d, PS、GO和CS的热特性。氧化石墨烯薄片在190℃时的主要分解发生在一个常见的分解温度下，而PS的分解发生在347℃，涉及聚合物链中的线性和交联部分的热分解。在299℃时，CS的典型失重明显，对应于所得结构的结构分解;与氧化石墨烯片相比，氧化石墨烯涂层PS的热性能更稳定。

图4. 海绵样吸附剂的染料去除能力图示。4d显示，PS和CS对初始染料浓度的去除率从2 mg/L到10 mg/L略有下降，但在染料浓度达到10 mg/L后，去除率急剧下降。脱色比较：CS的脱色性能优于PS。

图5. 吸附动力学模型。在室温下，以10 mg L−1浓度的染料溶液，测定了不同吸附时间下RB和CR的吸附量。

实验总结与结论

本研究通过将氧化石墨烯薄片涂覆在具有不同壁厚和孔径的三维多孔结构中，成功制备了复合海绵(CS)：

该氧化石墨烯包覆的PS具有约10 μm的壁厚和100-200 μm孔径的细胞结构，这是去除有机染料和再生能力的合适范围。

氧化石墨烯包覆的PS对RB和CR均具有较高的去除性能，这是由于在三维多孔结构中氧化石墨烯片的吸附官能团数量增加;两种海绵样吸附剂在CR中的吸附性能在位阻性质和RB中所含的胺基方面均优于RB。

吸附过程符合PSO和Langmuir等温模型，分别与化学吸附和单层吸附相关联。同时，本研究制备的海绵状吸附剂对各种染料的最大吸附量大于其他相关的石墨烯基吸附剂。
在9次吸附-解吸循环中，其回收性能保持良好，特别是氧化石墨烯包覆PS的回收性能优于PS。

氧化石墨烯包覆的PS具有材料无毒、形态特性好、力学性能高、材料成本低、操作成本低等优点，有望成为工业应用的吸附剂。此外，它能够重复使用，而不会出现明显的染料去除性能下降。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.05.004