超亲水和水下超疏油复合石墨烯气凝胶，用处理含有机污染物的废水

摘要：石墨烯气凝胶（GA）是一种很有前景的吸附剂，可用于去除废水中的有机污染物。本文，华北电力大学何少剑教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Preparation of superhydrophilic and underwater superoleoph

1成果简介

石墨烯气凝胶（GA）是一种很有前景的吸附剂，可用于去除废水中的有机污染物。本文，华北电力大学何少剑教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Preparation of superhydrophilic and underwater superoleophobic composite graphene aerogels and their performance in dye adsorption and oil/water separation”的论文，研究开发了一种简单而绿色的方法，其中通过利用微气泡和冷冻干燥技术以及水热还原制备了含有碱活化间苯二酚-甲醛材料的氨基功能化复合石墨烯气凝胶（ARFM@GA-N）。具有多级多孔结构的 ARFM@GA-N 表现出优异的超亲水性/水下超疏油性，以及良好的化学和机械稳定性，使其成为染料吸附的有效吸附剂。

准二级动力学模型和 Langmuir-Freundlich 等温线模型应很好地描述批量吸附过程，ARFM@GA-N 对阳离子染料（281.8−370.5 mg/g）的亲和力强于对阴离子染料（51.61−125.7 mg/g），从而在动态吸附实验中赋予选择性分离能力。固定床吸附-脱附循环实验进一步证实了其优异的可重复使用性和有效吸附性，平衡时对龙胆紫的去除率为 52.64%，对番红T 的去除率为 49.28%，对甲基橙的去除率为 27.67%。此外，ARFM@GA-N表现出卓越的抗油污性和有效的油水分离能力，使其成为有效处理含有有机污染物的废水的有前景的材料。

2图文导读

图1.用于准备 （a） ARFM 和 （b） ARFM@GA-N 的方案图。

图2. (a) Water contact angle of PGA, ARFM@GA, GA-N, and ARFM@GA-N; (b) Optical photograph of the underwater oil contact angle of ARFM@GA-N; (c) X-ray photoelectron survey spectra of ARFM@GA, and ARFM@GA-N; and high-resolution XPS spectra of (d) C1s; (e) O1s; (f) N1s in ARFM@GA-N; (g) N2 adsorption-desorption isotherms of GA-N and ARFM@GA-N; and (h) Pore size distribution curves of GA-N and ARFM@GA-N.

图3. SEM images of (a) ARFM, (b) ARFM@GA-N, and (c) GA-N sample.

图4. (a) The adsorption capacity of GA-N and ARFM@GA-N samples toward various dyes; (b) The variation of ARFM@GA-N’s adsorption capacity with pH value of dye solution; (c) The zeta potential of the ARFM@GA-N; (d)−(h) Adsorption kinetic curves of ARFM@GA-N toward dyes at different temperatures; (i) Equilibrium adsorption capacities of ARFM@GA-N toward variable organic dyes (MB, GV, SF-T, MO, and RB-5) at different temperatures.

图5. (a1)−(c1) Experimental photographs of the ARFM@GA-N column in self-made filter devices for GV, SF-T, and MO adsorption; (a2)−(c2) BT curves of fixed-bed adsorption experiments employing the ARFM@GA-N column for GV, SF-T, and MO solution filtration; (a3)−(c3) The first-cycle desorption curves of dyes from the ARFM@GA-N column.

图6. (a) FTIR spectra of ARFM@GA-N and dye-adsorbed ARFM@GA-N samples; and (b) A schematic illustration of adsorption mechanism of dyes onto ARFM@GA-N.

图7. (a) Images of the underwater anti-oil property test of ARFM@GA-N; (b) Demonstration of gravity-driven separation of oil-in-water emulsions using ARFM@GA-N, along with microscopic images of emulsions before and after separation; (c) Photographs before and after separation of methylbenzene (stained with Sudan red IV) / water (stained with MB) mixtures by ARFM@GA-N.

3小结

综上所述，本文提出了一种绿色简便的方法制备 ARFM/石墨烯气凝胶，并详细研究了其吸附过程和潜在的吸附机理。制备的关键技术主要包括合成RFR及随后的KOH活化、水热还原、微泡策略、冷冻干燥技术和氨基功能化。ARFM@GA-N 气凝胶具有层次分明的多孔微结构，表现出优异的超亲水性/水下超疏水性（油接触角为 151.2°）以及良好的化学和机械稳定性。它是一种从水溶液中去除各种染料的高效吸附剂。结果还表明，ARFM@GA-N 非常适合选择性分离混合染料溶液，因为它对阳离子染料的吸附容量高于阴离子染料（批量吸附实验中为281.8-370.5 mg/g 对 51.61-125.7 mg/g）。此外，阳离子染料的吸附容量随着溶液pH值的增加而增加，而阴离子染料的吸附容量则呈相反趋势。内热吸附过程凸显了ARFM@GA-N的物理吸附和化学吸附特性。此外，固定床柱实验证明了其实用性，在平衡状态下对GV和SF-T的去除率分别为52.64%和49.28%，并具有良好的重复利用率。同时，ARFM@GA-N在去除油污和实现水油分离方面的优异性能（分离通量和分离效率分别高于900 L/(m2 h) 和 99%）使其在石墨烯基气凝胶中脱颖而出。它可作为高效处理含有机污染物废水的理想候选材料。

文献: