功能化石墨烯水泥基复合材料的制备及性能

摘要

汽车尾气排放的增多、工业废水的无限制排放，都使得江河湖泊等水体中重金属离子的含量猛增，不仅对环境造成严重破坏，又威胁着人类及地球生物的肌体健康和生命安全，因此，寻找可有效治理废水中重金属离子的吸附剂成了当今科学界研究的热点。
　　近年来，不少海内外研究人员相继开展了石墨烯及石墨烯复合材料用于污水处理方面的相关研究，这些研究都体现了石墨烯及其复合材料具有开发为吸附材料的较大潜力和学术价值。但现有的石墨烯基吸附材料都存在一定的缺点，如重金属吸附量小、去除率偏低、循环使用性差、无法量产等。本文采用功能化方法改良石墨烯纳米片层，通过引入羟基（-OH）、羧基（-COOH）等含氧官能团，改善其亲水性和增加比表面积，提供更多的吸附位点。具体探究了 FGNps对重金属离子（Cu2+）的吸附特性及机理；制备FGNC，考察其对溶液中Cu2+和Pb2+两种重金属离子的吸附作用及相关机理；同时，研究了FGNC的基本力学性能，并分析 FGNps对水泥基材料的增强增韧机理。本论文的主要研究内容及成果如下：
　　（1）通过功能化的方法，以浓硫酸及浓磷酸处理原石墨烯制得功能化石墨烯(FGNps)。以FTIR、AFM、BET、SEM-EDS等分析方法对片层结构为薄膜的功能化石墨烯的片层尺寸、比表面积、表面含氧官能团进行表征，结果表明：FGNps的碳氧比例较小，表面覆盖大量羟基（-OH）、羧基（-COOH）等含氧官能基团，拥有834.05m2/g的超大比表面积。
　　（2）FGNps的吸附性能：在不同溶液pH、重金属离子（Cu2+）初始浓度、外界温度及吸附时间等不同的外界条件下，FGNps对 Cu2+有较好的去除率、较大吸附容量和较快吸附速率；且经过五次吸附-解附循环之后，对重金属离子（Cu2+）去除率依然可达70.2%，说明其具有较为优异的重复使用性能。
　　（3）适量掺入FGNps可有效提高水泥基材料的力学性能，但对拌合物的工作性（用塑性黏度表征）略有影响。随FGNps掺量的增加，FGNC的抗压强度呈现先增大后减小的趋势，在 FGNps掺量为0.03wt.%时，抗压强度达到最大值41.8MPa，较空白样增加37.5%；冲击强度随着 FGNps的掺量增加而增加，在FGNps掺量为0.04wt%达到最大值9.9cm?kg，较空白样增加58.9%。对比石墨烯水泥拌合物，FGNps水泥拌合物和经超声处理的FGNps水泥拌合物的黏度值明显较小，表明在拌合物中FGNps比原石墨烯有更好的分散效果。
　　（4）FGNC在不同的体系pH值、吸附时间和外界温度等因素影响下，相比于空白试样，对重金属离子（Pb2+和Cu2+）依然具有较高的去除率。其中，在Cu2+和Pb2+的初始浓度均为100mg/L，pH值为7的条件下，当外界温度分别为10℃、20℃和30℃时，相比于空白试样，FGNps掺入的水泥基吸附材料对Pb2+的去除率提高11.5%、10.7%和11.4%，对Cu2+的去除率提高11.60%0、9.97%、12.46%。
　　（5）FGNps的增韧增强机理：FGNC的微观结构分析表明，FGNps对水泥水化产物有特殊的调控作用。随着 FGNps的掺量增加，水化物愈加形成聚集、交错的较大块状结构，且内部水化物的排列变得规则，孔洞和缝隙尺寸均明显减小，使得宏观力学性能有较大的提高。
　　（6）FGNC的吸附机理： FGNC对溶液中重金属离子的吸附作用主要包括：物理吸附、置换作用和复分解沉淀反应。FGNps的作用在于，其促进了C-S-H凝胶和CH晶体等水化物的生成，不仅使其排列规则和水化物比表面积增大，同时还产生了更多可吸附重金属离子的吸附位点。利用元素扫描（EDS）等微观测试方法对 FGNC吸附后试样进行分析，可确定吸附在水泥水化产物中的重金属元素分布情况、以及生成的重金属盐的种类。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 石墨烯的性质及其制备

1.3 国内外研究进展

1.4 本课题研究内容与方法

2 功能化石墨烯（FGNps）的制备及表征

2.1 FGNps的制备

2.2 FGNps的表征

3 FGNps对重金属吸附的因素分析

3.1 试验原材料、仪器和方法

3.2 影响吸附效果的因素分析

3.3 重复使用性试验

3.4 吸附机理

3.5 本章小结

4 功能化石墨烯水泥基材料(FGNC)对重金属吸附的影响因素分析

4.1 FGNC的制备

4.2 FGNC吸附试验结果与分析

4.3 本章小结

5 FGNC的基本性能

5.1 基本性能试验

5.2 基本性能试验结果及分析

5.3 本章小结

结论与展望

1.结论

2.展望

参考文献

攻读硕士期间发表学术论文情况

致谢