珠江水污染治理论文提纲

论文题目：石墨烯基复合材料的合成及其对Cr和Hg的吸附与产氢性能研究

摘要：有毒重金属引起的水污染会对人类及整个生态系统健康构成严重威胁,已成为全世界关注的环境问题。尽管重金属是天然存在于自然环境中,但人为活动却在不同的环境基质中引入了过量的重金属。对珠江流域的调查显示,大量工业废水的排放是造成珠江流域重金属污染的主要因素之一。而珠江作为我国流入南海的最大河流,对我国南方社会经济发展和人民生活具有十分重要意义。因此,如何更好地进行重金属污染废水处理并使之资源化,成为研究学者们关注的重点论题。在重金属水污染治理中,吸附法通常被认为是去除重金属最经济有效的方法。在众多吸附剂中,石墨烯由于具有独特的物理化学特性,常作为下一代水处理吸附剂而被广泛研究。研究表明,杂原子掺杂可以调控石墨烯的结构和性质,但目前对于杂原子掺杂的石墨烯基材料的研究多集中于催化和电化学领域,对吸附领域的应用关注相对较少。本论文在前期对珠江流域环境调查研究的基础上,以工业废水中常见的Cr和Hg为目标污染物,通过聚合物交联、掺杂和纳米粒子负载的方法构建不同类型的石墨烯基吸附材料。研究不同石墨烯基吸附材料对重金属的吸附性能和作用机理,以期为石墨烯基吸附材料的工业化应用和重金属污染修复提供理论和技术依据。同时,针对含重金属的吸附废料进行协同产氢性能研究,为吸附废料的资源化和新能源的生产奠定基础。主要研究内容如下:（1）以聚乙烯亚胺作为氧化石墨烯交联剂,利用氧化石墨烯和聚乙烯亚胺之间的酰胺反应和非共价键合成聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯。提高聚乙烯亚胺分子量和负载比例可以在一定程度上改善氧化石墨烯的吸附性能,但是过多的交联聚乙烯亚胺会影响暴露的吸附位点,降低复合材料的吸附容量。聚乙烯亚胺交联后的氧化石墨烯复合材料对Cr（VI）的吸附容量可达436.20 mg g-1,吸附过程符合伪二级动力学模型,并详细探讨了在不同p H条件下的吸附性能和机理。当Cr（VI）初始浓度为50 mg L-1,p H为3时,实验吸附容量为117.42 mg g-1,去除效率高达99.97%,残余Cr（VI）和总Cr浓度分别为0.014mg L-1和1.11 mg L-1,可以满足工业废水排放标准。（2）通过水热法原位合成高氮掺杂还原氧化石墨烯（NRGO）用于去除水溶液中的Hg（II）。研究发现,由于聚乙烯亚胺可以水热分解为碳取代的乙基吡咯,吡咯,乙胺和氨,氮可以更好地掺杂到石墨烯晶格内部,掺杂氮的含量为12.69%,其中吡啶氮、酰胺/胺基氮、吡咯氮、石墨氮的比为0.75:1.05:1:1.09。由于氮的掺杂,NRGO在广泛的p H范围内对Hg（II）均有良好的吸附性能,尤其在p H为2的条件下,吸附性能最佳,吸附过程符合伪二级动力学,Langmuir和Sips模型对实验拟合程度较好。通过三元重金属体系的实验设计,我们发现NRGO对Cr（VI）、Cr（III）、Hg（II）的亲和力顺序为:Cr（VI）＞Hg（II）＞Cr（III）。在充足的吸附位点存在下,Cr（VI）和Hg（II）之间不存在竞争关系,说明NRGO对Hg（II）和Cr（VI）的吸附机制有所不同。氮的掺杂改变了体系的电子分布,更增加了体系对Hg（II）的亲和力,同时由于氧的电负性高于氮,水溶液中的Hg（II）更容易与含氧官能团中的氧结合,生成稳定的金属配合物,有利于汞的去除。该吸附剂具有良好的独立吸附和混合吸附的能力,是一种良好的吸附剂。（3）针对含氮基团的优异吸附性能,进一步利用木质素磺酸钠的分散性和其化学性质,通过水热法调控合成吡啶氮和石墨氮占比较高的氮掺杂还原氧化石墨烯（N-LEGO）。通过此方法调控合成的N-LEGO,不仅显著提高了晶格内氮的掺杂比例（吡啶氮、酰胺/胺氮、吡咯氮、石墨氮的比为2.3:1.6:1:2.3）,同时提高了对Cr（VI）的吸附性能,实验吸附容量可达416.91 mg g-1。吸附过程符合伪二级动力学和Freundlich模型。通过DFT模拟计算五种氮掺杂结构对HCr O4-和Cr2O72-的吸附显示,吸附过程均为放热反应,吸附体系是稳定的。五种掺氮结构都优先吸附Cr2O72-离子,吸附顺序为:胺基功能化石墨烯＞吡啶氮掺杂石墨烯＞吡咯氮掺杂石墨烯＞石墨氮掺杂石墨烯＞石墨烯,对于HCr O4-,其吸附顺序为:吡啶氮掺杂石墨烯＞胺基功能化石墨烯＞石墨氮掺杂石墨烯＞石墨烯＞吡咯氮掺杂石墨烯,说明晶格体系内的掺杂有利于Cr（VI）的吸附。同时,差分电荷密度图显示吸附后体系中氮附近存在电荷消耗,表明氮与Cr（VI）之间存在电荷转移。N-LEGO对Cr（VI）的去除主要是源于氮与Cr（VI）之间的氧化还原反应,反应之后的氮的主要产物为硝酸根（NO3-）和硝基（-NO2）。该吸附剂在重金属和有机物共存的情况下,依然对Cr（VI）保持了优异的吸附性能。（4）合成纳米粒子负载石墨烯复合材料用于去除水溶液中的Cr（VI）,并研究考虑含铬吸附剂废料的资源化利用问题。首先,通过水热合成还原氧化石墨烯/二硫化钼（r GO/Mo S2）纳米复合材料。r GO:比为1:7时,r GO和在反应过程中进行了重新组装并形成新的纳米片状结构。在聚乙二醇的作用下均匀地分散在石墨烯表面,这种新的基边富集特征的对Cr（VI）的实验吸附容量为124.65 mg g-1。然后,对吸附不同初始浓度的吸附剂和煅烧后的吸附剂废料进行电化学性能测试,测试结果表明,随着吸附废料中铬含量的增加,的析氢性能逐渐提高。通过N2煅烧（600℃）吸附废料后,含50 mg L-1 Cr（VI）的r GO/Mo S2-600℃的电流密度为10m A cm-2时,r GO/Mo S2-600℃的过电位为74.5 m V,Tafel斜率为50.59 m V dec-1,产氢机制为Volmer-Heyrovsky复合机制。该研究表明铬的引入增强了中电子的有效传递,对的产氢性能起到了协同作用,具有更活跃的产氢位点。吸附Cr（VI）后的吸附剂具有良好的制氢性能,说明该方法可以回收和再利用吸附废料。

关键词：石墨烯;氮掺杂;吸附机理;重金属;产氢性能

学科专业：环境科学与工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 石墨烯简介

1.2.1 石墨烯概述

1.2.2 石墨烯的功能化

1.2.3 石墨烯的表征

1.2.4 石墨烯在环境和能源领域的应用

1.3 石墨烯基复合材料在重金属废水中的研究现状

1.3.1 石墨烯基复合材料在重金属废水处理中的应用

1.3.2 石墨烯基复合材料对重金属离子的吸附机理

1.3.3 石墨烯基复合材料在重金属废水处理中面临的挑战

1.4 本课题研究目的、研究内容及创新点

1.4.1 研究目的和研究内容

1.4.2 创新点

第二章 聚乙烯亚胺交联氧化石墨烯对Cr(VI)的吸附性能研究

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料与设备

2.2.2 合成GO-PEI

2.2.3 表征与分析

2.2.4 吸附性能

2.3 结果与讨论

2.3.1 PEI负载量对吸附性能的影响

2.3.2 pH对吸附容量的影响

2.3.3 GO-PEI表征

2.3.4 吸附动力学

2.3.5 扩散模型

2.3.6 吸附等温线

2.3.7 吸附机理

2.3.8 干扰研究

2.4 本章小结

第三章 原位合成高氮掺杂还原氧化石墨烯对水溶液中Hg(II)的吸附性能研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料与设备

3.2.2 合成NRGO

3.2.3 表征与分析

3.2.4 实验设计

3.3 结果与讨论

3.3.1 NRGO对 Hg(II)吸附性能的影响

3.3.2 NRGO表征与分析

3.3.3 混合吸附

3.4 本章小结

第四章 聚合物调控合成高氮掺杂还原氧化石墨烯的吸附性能及机理研究

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料与设备

4.2.2 合成N-LEGO

4.2.3 表征与分析

4.2.4 吸附性能

4.2.5 DFT理论计算

4.3 结果与讨论

4.3.1 N-LEGO表征分析

4.3.2 初始pH的影响

4.3.3 初始浓度的影响

4.3.4 动力学研究

4.3.5 等温线研究

4.3.6 共存离子及有机物的影响

4.3.7 DFT理论计算分析

4.3.8 吸附机理

4.3.9 回收Cr_2O_3

4.4 本章小结

第五章 rGO/MoS_2吸附Cr(VI)废料的协同产氢性能

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 实验材料与设备

5.2.2 rGO/MoS_2的制备与合成

5.2.3 表征与分析

5.2.4 吸附性能

5.2.5 电化学测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 pH对吸附的影响

5.3.2 吸附动力学

5.3.3 表征分析

5.3.4 电化学性能表征

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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