关键词：
氧化石墨烯
壳聚糖
吸附
抑菌
3D打印
摘要：
随着采矿行业的发展,产生了大量的含有铜离子的采矿废水。它在水环境中会经过生物链的累积和传递,且因其不可降解的特性,对人们的身体健康构成直接威胁。氧化石墨烯基吸附剂处理含铜废水具有操作方便,吸附容量高,能源消耗小的优点。但二维的氧化石墨烯在水中易于团聚,不易回收,可能会造成二次污染,而将二维氧化石墨烯制备成三维石墨烯宏观体材料,能够解决上述问题。
与传统三维制备方法相比,3D打印制备三维氧化石墨烯宏观体,具有结构可控,流程简单的优点。直书写打印（DIW）是3D打印的一种,DIW打印要求油墨具有良好的流变性能,壳聚糖能够增强油墨的粘度,提高油墨的可打印性,改善氧化石墨烯基油墨的流变性能。目前氧化石墨烯/壳聚糖宏观体吸附剂存在以下问题:（1）宏观体结构不可控,壳聚糖在酸性溶液中易溶解;（2）氧化石墨烯/壳聚糖宏观体吸附剂吸附容量低,传质速率低;（3）氧化石墨烯/壳聚糖宏观体吸附剂疏松多孔的结构,引起细菌微生物过度繁殖,导致孔隙堵塞,影响材料的重复使用性能。因此,通过3D打印技术制备氧化石墨烯/壳聚糖宏观体吸附剂,并改善壳聚糖的耐酸性能,提高吸附和可重复使用性能至关重要。主要内容和结论如下:
（1）设计了一种简单,绿色的合成方案,通过3D打印技术制备了氧化石墨烯/壳聚糖宏观体吸附剂（GO/CS）,硅烷偶联剂（KH560）交联改善壳聚糖的耐酸性,硅烷偶联剂（KH550）实现对材料的氨基负载,并用来去除溶液中的Cu2+离子。硅烷偶联剂交联能够显著提高材料的耐酸性能,在p H为3的溶液中浸泡180天后仍保持完整。研究了不同配比的GO/CS油墨的可打印性,通过静态吸附实验和力学性能测试确定最佳的配比G8/C7。溶胀实验表明,G8/C7具有良好的溶胀性能。在p H=5,温度为303.15 k时,具有最佳的吸附容量36.9 mg/g。通过等温模型,动力学模型和表征分析,得出G8/C7对Cu2+的吸附过程由化学吸附主导的,涉及含氧,含氮官能团。
（2）为进一步提升宏观体吸附剂的吸附容量和传质速率,通过氢溴酸,硫脲对氧化石墨烯进行巯基改性,并在巯基氧化石墨烯/壳聚糖油墨体系中引入Si O2,最终,去除Si O2模板达到致孔的效果。根据（1）中的最佳配比,添加少量球形Si O2,制备出了具有多孔的巯基氧化石墨烯/壳聚糖吸附剂（SGCS）,在p H=5,温度为303.15 k时,未致孔的巯基氧化石墨烯/壳聚糖（SGC）吸附容量为44.88mg/g,吸附平衡时间为210 min,致孔的SGCS在同样条件下的吸附容量为47.05mg/g,吸附平衡时间为180 min。静态实验表明,巯基改性能够提升吸附剂的吸附容量,致孔可以暴露更多的吸附位点,提高传质速率。此外,等温模型,动力学,XPS等分析表明,吸附是由含硫基团,含氧基团,含氮基团共同作用的。
（3）为提升吸附剂的可使用性,增强材料的抑菌性能。在SGCS油墨中引入ε-聚赖氨酸（EPL）,并通过3D打印制备出巯基氧化石墨烯/壳聚糖/ε-聚赖氨酸宏观体吸附剂（SGCS-E）。改变EPL的添加量,探究其对抗菌和吸附性能的影响。静态实验表明,随着EPL添加量的增加,SGCS-E吸附Cu2+的容量也增大,EPL的添加量为3 wt%时,吸附容量为51.25 mg/g,这可能与EPL中的氨基和羧基基团有关。抑菌圈实验表明,EPL的添加量越多,抑菌性能越好,SGCS-E3对大肠杆菌的抑菌圈为220 mm,对金黄色葡萄球菌的抑菌圈为230 mm。仅投加0.5 g/m L的吸附剂对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抑制生长作用。实际污水浸泡以后,SGCS-E3仍具有明显的孔隙结构,经过10次吸附-解吸循环后,吸附容量能达到初始吸附容量的80%。动态吸附柱实验表明,SGCS-E3有良好的使用潜力。
本文采用3D打印技术制备氧化石墨烯/壳聚糖宏观体材料,通过巯基改性,Si O2模板法致孔,引入ε-聚赖氨酸增强抗菌,改善材料的吸附性能和可重复利用性能,揭示了吸附机理,为实现氧化石墨烯宏观体吸附剂的实际应用提供了一定的技术支撑。
欢迎来到三峡大学图书馆！
