磁性多孔氧化石墨烯的制备及其对典型磺胺类药物的吸附去除

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1173

摘要/Abstract

摘要：

以四氟对苯二腈（TF）为刚性分子支柱，通过化学插层法制备了多孔氧化石墨烯（GO-TF），并通过机械球磨法将纳米Fe₃O₄负载到GO-TF上，制备了新型磁性多孔氧化石墨烯（GO-TF/Fe₃O₄）复合材料。研究了磁性GO-TF/Fe₃O₄对磺胺嘧啶（SD）的吸附性能，采用吸附动力学模型和等温吸附模型研究了GO-TF/Fe₃O₄对SD的吸附速率和吸附量。与GO去除SD相比，GO-TF/Fe₃O₄的吸附去除性能显著提高，饱和吸附量达到106.57 mg/g，表明TF支撑GO纳米片形成了新的吸附孔道，并且球磨后纳米Fe₃O₄成功嵌入GO-TF上形成了新的吸附位点。研究了溶液pH对材料吸附性能的影响，发现低pH有利于SD的吸附。SD在GO-TF/Fe₃O₄上的吸附主要涉及π-π作用、氢键作用和静电作用。在5个再生循环内表现出对SD较好的重复吸附性能。

关键词: 刚性分子, 氧化石墨烯, 吸附, 磁性, 磺胺嘧啶

Abstract:

Novel magnetic porous graphene oxide(GO-TF/Fe₃O₄) composites were prepared by chemically intercalating porous graphene oxide(GO-TF) with tetrafluoroterephthalonitrile(TF) as a rigid molecular backbone and loading nano-Fe₃O₄ onto GO-TF by mechanical ball milling. The adsorption performance of magnetic GO-TF/Fe₃O₄ for sulfadiazine(SD) was investigated by using adsorption kinetic models and isothermal models to study the adsorption rate and adsorption capacity of sulfadiazine(SD) on GO-TF/Fe₃O₄. Compared to the removal of SD by GO,the adsorption removal performance of GO-TF/Fe₃O₄ was significantly improved, and the saturation adsorption capacity reached 106.57 mg/g, which indicated that new adsorption pores were formed by the TF-supported GO nanosheets and new adsorption sites were formed by the successful embedding of nano Fe₃O₄ onto GO-TF after ball milling. The effect of solution pH on the adsorption properties of GO-TF/Fe₃O₄ was also investigated,and it was found that low pH was favorable for SD adsorption. The adsorption of SD on GO-TF/Fe₃O₄ mainly involved π-π interactions,hydrogen bonding,and electrostatic interactions. Additionally,GO-TF/Fe₃O₄ showed good reuse performance for SD within 5 cycles.

Key words: rigid molecular, graphene oxide, adsorption, magnetism, sulfadiazine

中图分类号:

X703.1

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图/表 13

图1 不同吸附剂吸附性能对比和GO-TF/Fe₃O₄的磁滞曲线

Fig.1 Comparison of adsorption performance of different adsorbents and hysteresis curve of GO-TF/Fe₃O₄

图2 材料的表面形貌特征 GO（a）、GO-TF（b）和GO-TF/Fe₃O₄的SEM（c）；GO-TF/Fe₃O₄的EDS（d）；N、F、Fe元素分布（e）~（g）；GO-TF/Fe₃O₄元素含量分布（h）

Fig. 2 Surface morphology characteristics of the material

图3 3种材料的XRD

Fig.3 XRD patterns of the three materials

图4 3种材料的氮气吸附脱附曲线和孔径分布

Fig.4 N₂ adsorption-desorption curves and pore size distribution of the three materials

图5 3种材料的拉曼光谱

Fig.5 Raman spectra of the three materials

图6 3种材料的FT-IR

Fig.6 FT-IR spectra of the three materials

图7 GO-TF/Fe₃O₄去除SD的伪一级、二级动力学模型和颗粒内扩散模型

Fig.7 The models of pseudo-first and second（a），intra-particle diffusion（b） for SD removal by GO-TF/Fe₃O₄

表1 GO-TF/Fe₃O₄吸附SD的动力学和等温线模型拟合参数

Table 1 Kinetic and isothermal models fitting parameters for the adsorption of SD by GO-TF/Fe₃O₄

模型	参数	数值
伪一阶动力学模型	q _e/（mg·g^-1）	59.21
	k ₁/h^-1	0.26
	R ²	0.98
伪二阶动力学模型	q_e /（mg·g^-1）	68.61
	k ₂	0.002
	R ²	0.99
颗粒内扩撒模型	k _d/（mg·g^-1·h^-0.5）	12.89
	c	-2.53
	R ²	0.97
Langmuir等温线模型	q_m /（mg·g^-1）	106.57
	b	0.36
	R ²	0.92
Freundlich等温线模型	K _F	41.85
	n	4.27
	R ²	0.96
D-R等温线模型	E/（kJ·mol^-1）	15.6
D-R等温线模型	R ²	0.98

图8 GO-TF/Fe₃O₄吸附SD的Langmuir、Freundlich和D-R模型等温线

Fig.8 The isotherms of GO-TF/Fe₃O₄ adsorption SD fitted by the models of Langmuir，Freundlich and D-R model

表2 各种吸附剂对SD的吸附量之间的对比

Table 2 The comparison for adsorption capacity of SD by various adsorbents

吸附剂	q _m/（mg·g^-1）	参考文献
DBC-303K	90.09	〔29〕
改性凹凸棒土	12.44	〔30〕
活化生物炭	86.89	〔31〕
植物粉状活性炭	143	〔32〕
Ni@CNF-298K	85.29	〔33〕
氮化硼束	137.7	〔34〕
GO-TF/Fe₃O₄	106.57	本研究

图9 溶液pH对GO-TF/Fe₃O₄吸附性能和Zeta电位的影响

Fig.9 Effect of solution pH on the adsorption performance and Zeta potential of GO-TF/Fe₃O₄

图10 GO-TF/Fe₃O₄的吸附再生性能

Fig.10 Adsorption and regeneration performance of GO-TF/Fe₃O₄

图11 GO-TF/Fe₃O₄对其他SAs（SMZ、SPD和SM2）的去除

Fig.11 The application of GO-TF/Fe₃O₄in other SAs（SMZ，SPD and SM2） removal

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