隐晶质石墨提纯、加工与吸附重金属的研究

摘要

隐晶质石墨是一种资源储量丰富、价值较低的天然石墨矿物，其石墨化程度低、横向尺寸小，比鳞片石墨较易氧化，理论上是一种成本较低的制备氧化石墨烯的原料。但是，目前通常采用纯度在99%以上的石墨作为氧化石墨烯的原料。为制备高纯度的石墨，在浮选的基础上，通常采用碱酸法、氢氟酸法进一步进行提纯。实际上，在石墨制备氧化石墨烯的过程中存在深度提纯效应。充分利用这一深度提纯效应，采用低纯度的隐晶质石墨原料制备氧化石墨烯，是降低氧化石墨烯生产成本的一种重要方式。另一方面，隐晶质石墨在多段磨矿-浮选过程中，由于长时间剧烈的与钢球碰撞，不可避免的造成钢球磨蚀的铁污染在石墨表面而使之成为次级产品。对此，通常需经过酸浸将铁除去，但增加了生产成本。 本文采用阶段磨矿-多段浮选的方法获得固定碳含量不同、产率不同的精矿产品，选择其中的低纯度石墨精矿作为原料制备氧化石墨烯吸附剂，用于水中Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的去除，证实低纯度石墨精矿制备氧化石墨烯的可行性。另一方面，基于载铁吸附剂对水中砷的良好吸附性能，利用石墨提纯过程中形成的残次品（铁污染石墨）作为吸附剂，用于水中As(V)的去除。主要研究结论如下： （1）低纯度隐晶质石墨制备的氧化石墨烯含有大量的含氧官能团和厚度小于2nm的薄片，对Zn(Ⅱ)表现出良好的吸附性能，吸附遵循准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型。揭示了吸附机制是Zn(Ⅱ)与氧化石墨烯表面羟基或羧基发生络合反应，带正电的锌离子与带负电氧化石墨烯表面之间的静电吸引为化学吸附提供了迁移驱动力。 （2）隐晶质石墨制备的氧化石墨烯对Cd(Ⅱ)有很好的吸附效果，最大吸附量可达1792.6mg/g，吸附等温线符合Langumir方程。吸附速度快，在2h内即达到吸附平衡，符合准二级动力学模型。氧化石墨烯对镉离子的吸附主要表现为化学吸附，氧化石墨烯表面的官能团起决定性作用。 （3）铁污染隐晶质石墨对水中砷有很好的吸附作用，这是因为铁污染石墨具有更大的比表面积且表面具有更多的铁活性吸附位点，表明铁污染隐晶质石墨可能是一种潜在的优良的水中砷去除的吸附剂。 本文基于氧化石墨烯制备过程中的深度提纯效应、多段磨矿-浮选过程铁污染现象，构建了隐晶质石墨提纯-吸附剂材料一体化研究的概念，对降低石墨基吸附剂原料的提纯成本具有重要的理论和现实意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1隐晶质石墨及其提纯技术

1.1.1石墨的性质

1.1.2 石墨资源概况

1.1.3 隐晶质石墨应用现状

1.1.4 隐晶质石墨提纯技术

1.2 水中重金属的危害及其脱除技术

1.2.1 锌的危害及其脱除技术

1.2.2 镉的危害及其脱除技术

1.2.3 砷的危害及载铁吸附剂除砷

1.3 氧化石墨烯吸附剂

1.3.1 氧化石墨烯作为吸附剂的优势分析

1.3.2 氧化石墨烯用于重金属离子的吸附

1.3.3 氧化石墨烯复合材料吸附脱除金属离子

1.4 研究目的、意义及研究内容

1.4.1 研究目的及意义

1.4.2 研究方案及内容

第2章 试验原料、仪器及研究方法

2.1 隐晶质石墨工艺矿物学研究

2.1.1 光学显微镜岩矿鉴定

2.1.2 化学成分分析

2.1.3 矿物组成分析

2.1.4 矿物形貌分析

2.2 试验药剂及仪器

2.2.1 试验药剂

2.2.2 试验仪器及设备

2.3 研究方法

2.3.1 试验方法

2.3.2 分析测试

第3章 隐晶质石墨浮选提纯研究

3.1 隐晶质石墨的磨矿工艺

3.1.1 隐晶质石墨的可磨性

3.1.2 多段磨矿-浮选的工艺矿物学基础

3.2 第一段磨浮流程及产品性能

3.2.1 粗选捕收剂用量

3.2.2 粗粒浮选

3.2.3 粗精矿多段精选

3.2.4 一段精矿物化性质

3.2.5 一段精矿杂质的赋存状态

3.3 第二段磨浮流程及产品性能

3.3.1 磨矿细度

3.3.2 粗精矿多段精选

3.3.3 二段精矿物化性质

3.3.4 二段精矿杂质的赋存状态

3.4 第三段磨浮流程及产品性能

3.4.1 磨矿细度

3.4.2 粗精矿多段精选

3.4.3 三段精矿物化性质

3.4.4 三段精矿杂质的赋存状态

3.5 三段磨矿-多段精选流程

3.6 小结

第4章 低纯度隐晶质石墨基氧化石墨烯吸附Zn(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的研究

4.1低纯度隐晶质石墨基氧化石墨烯的表征

4.1.1 XRD表征

4.1.2 FTIR表征

4.1.3 AFM表征

4.2.1 溶液pH对Zn(Ⅱ)去除率的影响

4.2.2 吸附等温线研究

4.2.3 吸附动力学研究

4.2.4 吸附热力学研究

4.2.5 吸附机理研究

4.3 低纯度隐晶质石墨基氧化石墨烯吸附Cd(Ⅱ)的研究

4.3.1 吸附等温线研究

4.3.2 吸附动力学研究

4.3.3 吸附机理研究

4.4 小结

第5章 铁污染隐晶质石墨去除水中As(Ⅴ)的研究

5.1 磨矿时间对石墨性质的影响

5.1.1 不同磨矿时间下石墨粒径和比表面积的变化

5.1.2 不同磨矿时间下石墨的铁污染程度

5.1.3 不同磨矿时间下石墨对砷的吸附

5.2 铁污染石墨对砷的吸附

5.2.1 低铁和高铁污染石墨的表面形貌

5.2.2 低铁和高铁污染石墨元素分析

5.2.3 低铁和高铁污染石墨表面电位的变化

5.2.4 pH对低铁和高铁污染石墨吸附砷的影响

5.2.5 低铁和高铁污染石墨吸附砷的动力学研究

5.2.6 低铁和高铁污染石墨吸附砷的等温线研究

5.2.7 共存离子对高铁污染石墨吸附砷影响

5.2.8 铁污染石墨吸附砷的XPS研究

5.3 小结

第6章 结论和创新点

6.1 结论

6.2 创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间研究成果

A. 发表论文

B. 所获奖励

C. 主要参与的科研项目