新型吸附劑膨脹石墨的制備及改性方法研究

孫盼盼 雷 雨 張立東

（華北電力大學環境科學與工程學院，河北 保定071000）

膨脹石墨（EG）[1]是以天然鱗片石墨為原料，采用插入劑的插層處理、水洗、干燥、高溫膨化等特殊工藝，使鱗片石墨沿層間(c 軸)方向膨化而成的產物，它具有高表面活性、大比表面積、生態環境協調性好等優點，一種優良的多孔碳質吸附材料。隨著經濟的發展，人們的環保意識越來越強，在環保領域，膨脹石墨的研究近年里陸續開展?；旧嫌杉兲冀M成的膨脹石墨具有強吸附性、化學惰性且無毒，不會對環境造成二次污染。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及主要試劑

32 目、50 目、80 目鱗片石墨、硫酸、硝酸、乙醇、乙酸、、氫氧化鈉、MgCl2·6H20、高錳酸鉀、氯化亞錫、四氯化鈦、汞標準貯備液等。

1.2 主要儀器

KQ-250B 型超聲清洗器、79HW-1 恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風干燥箱、QM201 熒光測汞儀、電熱恒溫水浴鍋、FE20 型pH 計等。

1.3 試驗方法

1.3.1 膨脹石墨制備及性能

按照一定質量比[2-3]稱取鱗片石墨、高錳酸鉀、硫酸（硝酸）反應物六份（鱗片石墨每種目數各兩份），將高錳酸鉀分別加入到盛有天然鱗片石墨的燒杯中混勻，再加入稀釋好的硫酸（硝酸）。 室溫下攪拌反應30 分鐘，反應結束后用去離子水水洗至洗滌液呈無色且pH 值在6.0～7.0 之間， 然后將產品在去離子水中浸泡兩個小時， 再于烘箱中于60℃～80℃范圍內，烘干5 個小時得可膨脹石墨，再分別用微波爐和馬弗爐中高溫膨脹即得到硫酸（硝酸）插層膨脹石墨。所制得的樣品進行吸附Hg2＋和氣態汞實驗。

1.3.2 改性膨脹石墨制備及性能

首先按照鱗片石墨：高錳酸鉀：硫酸（98%）：四氯化鈦＝1.0:0.5:3.0:0.35 準備實驗用品[4]，在45℃下將鱗片石墨、四氯化鈦、高錳酸鉀依次加入到濃度為75%的濃硫酸中，攪拌反應60 分鐘，水洗至中性，然后將產品置于去離子水中浸泡兩個小時，再于60℃～80℃下烘干5 小時，高溫膨脹10s 后，得到插鈦膨脹石墨。以乙醇為分散劑，采用超聲沉淀法[5]制備了納米氫氧化鎂，同時將納米氫氧化鎂負載到硝酸插層的膨脹石墨孔隙中，得到插鎂膨脹石墨。然后進行吸附Hg2＋和氣態汞實驗。

2 結果與討論

2.1 膨脹石墨性能

表1 不同目數和膨脹方式對硫酸插層的膨脹容積及脫汞率的影響

表1 結果表明，采用硫酸插層處理，使用50 目鱗片石墨為原料、微波爐膨脹制得的膨脹石墨膨脹容積較大，最多達到400 mL/g，馬弗爐膨脹制得的膨脹石墨膨脹容積普遍較小；表2 結果表明用微波爐膨脹制得的硝酸插層的膨脹石墨膨脹容積較大， 其中50 目的膨脹容積最大，達到300 mL/g。 使用50 目膨脹石墨為原料、微波爐膨脹制得的膨脹石墨對Hg2＋的吸附率較高，最高達到93%;用馬弗爐膨脹的硝酸插層的膨脹石墨對氣態汞有較好的脫除效果， 該方法制備的50 目膨脹石墨對22ng 的氣態汞吸附效果最好，吸附時間可達7.5h，吸附容量在0.2g/g。

表2 不同目數和膨脹方式對硝酸插層的膨脹容積及脫汞率的影響

2.2 改性膨脹石墨性能

插鈦膨脹石墨膨脹容積有所增大，用該膨脹石墨進行吸附Hg2＋和氣態汞實驗。 實驗結果表明，插鈦膨脹石墨對Hg2＋的脫除率僅為40%左右，同時，該改性的膨脹石墨同樣對氣態汞沒有脫除效果。插鎂膨脹石墨對Hg2＋的脫除率為80%左右，吸附量在1.2g/g，即該種方法改性后的膨脹石墨對Hg2＋的脫除率大大增加。

3 結語

（1）本論文根據現有研究資料，總結了現有的制備膨脹石墨的方法，分別制備了硫酸插層、硝酸插層的膨脹石墨，并制備了插鈦膨脹石墨和負載納米氫氧化鎂的膨脹石墨，得出了各種方法制備出的膨脹石墨的膨脹容積， 其中50 目鱗片石墨相比32 目鱗片石墨和80 目鱗片石墨膨脹容積更大。

（2）驗證了制得的各種膨脹石墨對汞離子、氣態汞的吸附性能，其中50 目微波爐膨脹的硫酸插層的膨脹石墨對Hg2＋的吸附率最高，達到了93%；50 目硝酸插層馬弗爐膨脹的膨脹石墨對氣態汞的吸附率最高，對22ng 的氣態汞吸附可達7.5h，吸附容量在0.2g/g；負載納米氫氧化鎂改性得到的硝酸插層膨脹石墨對Hg2＋的脫除率大大增加，對Hg2＋的吸附率達到了80%。

（3）膨脹石墨作為一種新型吸附劑，它具有網狀的孔結構、巨大的比表面積、極弱的極性以及疏水性等特點，而這些特征使得膨脹石墨作為吸附劑時具有很好的選擇性[6]，具有很高的研究和應用價值。

［1］M.Inagaki，K.Tashiro,Y.Washino,et al.Exfoliation process of graphite via intercalation compounds with sulfuric acid [J].Journal of Physics and Chemistry of solids,2004,65:133－137.

［2］兆恒，周偉，曹乃珍，等.膨脹石墨的孔隙結構及其在液相吸附/吸著時的變化[J].材料科學與工程，2002,20(2):153－159.

［3］靳通收，馬艷然，李強.可膨脹石墨的制備[J].無機化學學報，1997,13(2):231－233.

［4］龐秀言，游婷婷，蘇亞娟，陳陽.以四氯化鈦為插層劑制備插鈦膨脹石墨的實驗研究[J].保定：河北大學化學與環境科學學院，2009.

［5］宋克敏,陳希陵,路文義,等.以乙酸酐為反應介質制備低硫可膨脹石墨[J].無機材料學報,1995,10(4):478－482.

［6］陳小文,夏金童,陳宗璋,等.制備低硫高倍數膨脹石墨工藝條件的研究[J].碳素技術,2000,111(6):1－4.