二硫化钼磁性纳米复合材料的制备及其对水体中偶氮染料的吸附性能研究

1.绪论

我国是当今染料生产量最大的国家,染料在生产加工过程中,约有10%～20%的染料随废水排出[1]。其中,偶氮染料是染料废水的主要污染物之一。现今水处理剂产品、生产用料和反应试剂的绿色化等都已成为工业科学研究发展的重要方向[2,3]。目前国际先进的水处理剂都在向高效能、低毒无害、复合化的绿色化产业方向发展。在污水处理的方法中,吸附法由于其经济、高效、方便易操作、吸附后水质稳定而受到广泛关注。近年来,二硫化钼由于其高度发达的孔隙结构在吸附方面的研究备受关注,特别是其复合材料MoS2-rGO纳米复合材料受到越来越多的关注[4,5]。例如,杜毅[6]通过简易的水热合成法制备出了层状的MoS2-rGO新型纳米材料并分析评价其对以铅(Pb(II))为代表的重金属离子和以铀(U(VI))为代表的放射性核素吸附行为。但是,有关MoS2-rGO纳米复合材料对有机污染物的吸附行为却鲜有报道,因此,该课题具有一定的研究意义。本文利用水热合成法制备二硫化钼磁性纳米复合材料(MoS2-Fe3O4-rGO),利用其对水体中的偶氮染料进行吸附处理,探讨吸附剂用量、吸附时间、废水PH值等因素对模拟染料废水的吸附效果。

2.实验部分

(1)化学试剂

六水三氯化铁、乙二醇、无水乙酸钠、无水乙醇、石墨粉、98%硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、30%过氧化氢、钼酸钠、氢氧化钠、L-半胱氨酸、亚甲基蓝、甲基橙、刚果红。

(2)水热合成二硫化钼磁性纳米复合材料

①用水热合成法制备磁性Fe3O4。

②GO的制备:以石墨粉为原料,采用改性的Hummers方法制备GO。

③通过一步水热法,将一定量磁性Fe3O、GO和2.0g钼酸钠,2.0gL-半胱氨酸在PH为6.5的条件下溶解,然后装入200ml带有聚四氟内衬的不锈钢反应釜中,在180℃下水热处理36h即得二硫化钼磁性复合材料。

(3)吸附性能测试

本实验采用亚甲基蓝(MB)、刚果红(CR)和甲基橙(MO)为模拟染料废水。吸附实验在实验室简易吸附机械操作台上进行,整个过程在黑暗条件下进行。配制MB、CR、MO初始浓度均为100mg/L。

室温下准确称取一定量二硫化钼磁性纳米复合材料,分别装入体积均为50ml的MB、CR、MO溶液。在室温下进行震荡,不同时间后分别取离心后的上清液用紫外分光光度计分析反应液中模拟污染物的浓度变化。(MB的最大吸收波长为666nm、CR的最大吸收波长为496nm、MO的最大吸收波长为464nm)并计算吸附剂的吸附率:

η=(A0-A)/A0×100%=(C0-C)/C0×100%

式中:A0、A分别为废液处理前后的吸光度;C0、C分别为废液处理前后的质量浓度,mg/L。

3.结果与讨论

(1)废水PH值对MoS2-Fe3O4-rGO复合材料吸附性能 影响

PH值由于影响染料的化学性质和吸附剂表面活性中心而成为影响吸附剂的重要因素。因此我们研究了把10mgMoS2- Fe3O4-rGO复合材料各投放到50ml浓度皆为20mg/L的MB、CR、MO溶液中,调节PH范围2～10,在温度为25℃的水浴恒温震荡器中进行吸附试验。结果如图1所示。

当溶液为酸性条件下时,由于MoS2-Fe3O4-rGO复合材料中的羧基和羟基等含氧基团被质子化呈现出阳离子形态。而在碱性条件下,由于其去质子化而呈现出阴离子态。CR和MO内带有负电荷基团而MB带正电荷,因此在酸性条件下PH值降低时CR和MO的去除率大,MB小;而在碱性条件下OH-与负电荷相互排斥产生竞争吸附,对正电荷则静电相吸。为提高实验的可操作性,选取MB的PH=8,吸附率为90.3%;CR的PH=6,吸附率为54.0%;MO的PH=7,吸附率为14.5%。

(2)反应时间和MoS2-Fe3O4-rGO复合材料投放量对其吸附性能影响

取浓度皆为20mg/L的三种偶氮染料各50ml加入到250ml锥形瓶中,在相应PH值和室温下反应。MoS2-Fe3O4-rGO复合材料的投放量分别为5mg、10mg、15mg、20mg、25mg。MoS2-Fe3O4-rGO复合材料对三种偶氮染料的吸附效果随时间变化关系如图2所示。

MoS2-Fe3O4-rGO复合材料表面的吸附点位不断被染料分子占据,导致其吸附位点降低。又因为吸附剂用量的增加使得吸附剂表面的活性位点变多,随着吸附不断进行染料分子数量不断减少,吸附率持续上升。综合考虑实验吸附效果、经济效益和时间成本,则:MB最佳吸附剂投放量和最佳吸附时间分别为15mg/L、30min;CR最佳吸附剂投放量和最佳吸附时间分别为15mg/L、70min;MO最佳吸附剂投放量和最佳吸附时间分别为20mg/L、70min。

4.结论

制得的二硫化钼磁性纳米复合材料不但能吸附有机污染物,还能更好地收集,使得实验与应用很好的进行。通过吸附实验探讨二硫化钼磁性纳米复合材料对偶氮染料的吸附率,可以知道在吸附温度为25℃时,当二硫化钼磁性纳米复合材料的投放量为300mg/L,吸附时间为30min,染料废水溶液PH值为8.0时对亚甲基蓝的吸附率可达94.6%;而染料废水溶液PH值为6.0时,二硫化钼磁性纳米复合材料对刚果红的吸附率可达61.6%。当二硫化钼磁性纳米复合材料的投放量为400mg/L,吸附时间为70min,染料废水溶液PH值为7.0时,二硫化钼磁性纳米复合材料对甲基橙的吸附率可达23.4%。

摘要：利用二硫化钼表面及内部高度发达的孔隙结构,以钼酸钠为钼源,L-半胱氨酸为硫源,同时加入氧化石墨烯和磁性四氧化三铁,通过一步水热法制备出二硫化钼磁性纳米复合材料。并研究了二硫化钼磁性纳米复合材料对水体中偶氮染料的吸附效果。实验表明:吸附温度为25℃时,当二硫化钼磁性纳米复合材料的投放量为300mg/L,其对亚甲基蓝的吸附时间为30min,染料废水溶液PH值为8.0时,二硫化钼磁性纳米复合材料对亚甲基蓝的吸附率可达94.6%;对刚果红的吸附时间为70min,染料废水溶液PH值为6.0时,二硫化钼磁性纳米复合材料对刚果红的吸附率可达61.6%。当二硫化钼磁性纳米复合材料的投放量为400mg/L,其对甲基橙的吸附时间为70min,染料废水溶液PH值为7.0时,二硫化钼磁性纳米复合材料对甲基橙的吸附率可达23.4%。

关键词：二硫化钼,复合材料,偶氮染料,吸附

参考文献

[1] 孙世操,刘彦洋,王力,白亚楠.吸附材料处理染料废水的研究进展[J].山东化工,2018.

[2] 成毅.赵泽文.铁路客运洗涤污水污染情况及排放规律[J].环境与职业医学,2002,8(4):257-258.

[3] 王建民.铁路客运洗涤污水综合治理可行性分析[J].铁道劳动安全卫生与环保,2002.29(1):40-42.

[4] W.C.Peng,Y.Chen,X.Y.Li,MoS2/reduced graphene oxide hybrid with CdS nanoparticles as a visible light-driven photocatalyst for the reduction of 4-nitrophenol,J.Hazard.Mater,309(2016):173-179.

[5] Haitao Xie,Xiaopeng Xiong,A porous molybdenum disu-lfide and reduced graphene oxide nanocomposite(MoS2-rGO)with high adsorption capacity for fast and preferential adsorption towards Congo red,Journal of Environmental Che-mical Engineering,5(2017):1150-1158

[6] 杜毅.二硫化相/还原氧化石墨烯的制备及其对Pb(II)和U(VI)的吸附性能研究[D].南华大学,2017.