Page 67 - 《精细化工》2021年第10期
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第 10 期                   柳泽鑫，等:  弹性石墨烯气凝胶的制备及对含油污水的吸附                                   ·1997·


                 石墨烯气凝胶是一种具有代表性的三维碳基材                          1.2   气凝胶的制备
              [1]
                        2
            料 ，是由 sp 杂化的二维石墨烯组装而成的三维网                              氧化石墨烯（GO）由改进的 Hummers 法               [19-21]
                                               [3]
                                 [2]
            络结构，具有高孔隙率 、大比表面积 、良好的导                            制备。称取一定量 GO，加入去离子水，经超声处
                               [5]
                [4]
            热率 和强机械性能 等优点，在传感、储能、吸附、                           理配制成质量浓度为 5 g/L 的 GO 分散液，再按 GO
            催化等领域具有重要应用意义              [6-9] 。                 与还原剂（L-抗坏血酸）质量比为 1∶3 加入 L-抗
                 近年来，石墨烯气凝胶在油水分离方面的应用                          坏血酸，将混合分散液装入以聚四氟乙烯为衬底的
            研究较多     [10-12] 。比如：HONG 等  [13] 通过对自组装氧          水热釜中，在 90  ℃下还原 30 min，自然冷却至室
            化石墨烯气凝胶进行表面改性，制备了功能化石墨                             温后，–30  ℃冷冻 1 h，解冻后再经水热还原 3 h，
            烯气凝胶，这些气凝胶对油和有机溶剂具有优良的                             用乙醇洗涤至无黄色后，在 50  ℃下常压干燥得到
            吸附性能（112 g/g）和机械强度（支撑力至少为自                         石墨烯气凝胶，命名为 RGA。
            身质量的 2600 倍）。但想要制备机械性能好、结构                         1.3   表征与测试
            稳定的石墨烯气凝胶离不开传统的超临界干燥                      [14] 和       采用 IS10 型傅里叶变换红外光谱仪（美国
            冷冻干燥技术       [15] 。IZABELA 等 [16] 以原位还原反应          Thermo Scientific 公司）和 DXR Microscrope 型拉曼
            制备石墨烯水凝胶，进而超临界干燥制备高比表面                             光谱仪（美国 Thermo Scientific 公司）对 GO 和 RGA
            积、低密度的石墨烯气凝胶。WEI 等                [17] 将纤维素在       结构进行分析；采用 PROMPD 型 X 射线衍射仪（荷
            120  ℃下溶解于氧化石墨烯和 LiBr 混合溶液中形                       兰 X'pert 公司）分析 GO 和 RGA 的晶体结构；采用
            成凝胶，与去离子水进行溶剂交换变为水凝胶，冷                             Gemini 500 型扫描电子显微镜（德国 Zeiss 公司）观
            冻干燥处理后得到具有多孔结构的气凝胶。但是超                             察 RGA 的表面微观形貌；利用 WDW-200 型微机控
            临界干燥方法的条件较为苛刻，对设备要求较高、                             制电子万能试验机（上海双旭电子有限公司）测试
            能耗大且实验周期长，成本较高；真空冷冻干燥法                             RGA 的应力-应变曲线。
            对设备的要求高，干燥时间长，工艺要求较高，溶                             1.4   气凝胶孔隙率的计算
            剂的选择较少。相比于超临界干燥和冷冻干燥，常                                 气凝胶中孔隙体积的大小是决定其吸附容量的
            压干燥    [18] 能耗低，操作方便，生产周期短，并且没                     关键因素，用下式计算气凝胶的孔隙率（η）。
            有特殊的设备要求。                                                                  d 2
                                                                                 V     L              （1）
                                                                                  A
                 本研究以石墨粉为原料，采用改进的 Hummers                                              4
                                                                                 V  V  V              （2）
            法制备氧化石墨烯；以氧化石墨烯为前驱体，L-抗                                               P   A
            坏血酸为还原剂，采用冰模板和两步水热还原法通                                                 V   m               （3）
            过常压干燥制备了石墨烯气凝胶并测定该气凝胶的                                                     
            可压缩性能和吸油性能。以柴油模拟的含油污水及                                              /%   V P    100      （4）
            实际污水为研究对象，研究气凝胶对含油污水的处                                                   V A
                                                                                              3
            理能力，以期得到能处理含油污水的气凝胶。                               式中：V A 为气凝胶的表观体积，cm ；d 为气凝胶的
                                                               直径（游标卡尺直接测得），cm；L 为气凝胶的高度
            1   实验部分                                           （游标卡尺直接测得），cm；V P 为气凝胶的孔隙体
                                                                      3
                                                                                                        3
                                                               积，cm ；V 为石墨烯气凝胶骨架的体积，cm ；m
            1.1    试剂与仪器                                       为石墨烯质量，g；ρ 为石墨烯密度，1.06 g/cm             3 [22-23] ；
                 石墨粉（CP）、硫酸（AR，质量分数 98%）、                      η 为气凝胶的孔隙率，%。
            硝酸钠（AR，NaNO 3 ）、盐酸（AR，质量分数 36%）、                   1.5    石墨烯气凝胶对模拟含油污水的吸附实验
            高锰酸钾（AR，KMnO 4 ）、过氧化氢（AR，质量分                           将一定量柴油加入到水中超声分散 15 min，配
            数 30%）、L-抗坏血酸（AR）、无水硫酸钠（AR）、                       制初始质量浓度为 600 mg/L 的模拟含油污水。分别
            四氯化碳（AR），国药集团化学试剂有限公司；V0                           取 80 mL 模拟含油污水和同批次制备且质量相同的
            号柴油，中国石化。                                          气凝胶加入到 100 mL 具塞比色管中，将具塞比色管
                 超低温保存箱（–86  ℃，浙江捷盛低温设备有限                      放入 25  ℃的气浴恒温振荡器中恒温振荡，进行平
            公司）；智能型电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9246A，                        行实验。在 0、15、30、45、60、90、120、150、
            上海琅玕实验设备有限公司）；气浴恒温振荡器                              210、270 和 330 min 取样用红外测油仪测量水中油
            （CHA-S，常州国宇仪器制造有限公司）；红外测油                          品质量浓度。取吸附量基本不再变化时的吸附量作
            仪（OL1010，上海昂林科学仪器有限公司）。                            为平衡吸附量 q e,exp 。气凝胶对含油污水的吸附量和
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