氧化石墨烯修飾的功能復合棉線用于高效去除水中重金屬Pb（II）、Cr（III）的研究

張卓然，史玉芬，韓龍祥

（常州碳星科技有限公司，江蘇 常州 213149）

隨著工業生產的快速發展和人類破壞性活動的加劇，許多含有重金屬離子的污染物進入水體中，之后通過食物鏈進入人體，對人類健康造成嚴重危害，其中Pb（II）、Cr（III）離子對人體健康的影響尤為顯著[1-2]。Pb（II）離子是重金屬污染中毒性最大的一種，一旦進入人體將很難排出，對神經、造血、消化、腎臟、心血管和內分泌等多個系統造成危害，若含量過高還會引起中毒現象[3]。Cr（III）離子對人類健康的影響也不容小覷，可損害人類的腎、肝、骨骼和消化系統，并且還有一定的致癌、致畸、致突變作用[4]。因此，去除水體中的 Pb（II）、Cr（III）等重金屬離子具有重要意義。

目前，國內外去除水體中重金屬離子的方法有：化學沉淀法、電解法、離子交換法、膜分離法、植物修復法、生物絮凝法和吸附法等[5-8]。諸多方法中，吸附法具有操作簡單、處理容量大、可回收重金屬離子、吸附劑可循環使用等優點，得到廣泛的應用[9-10]。

氧化石墨烯（GO）作為石墨烯功能化衍生物之一，表面含有豐富的羥基、羧基、羰基等含氧官能團，具有親水性，可以很好地分散在水溶液中，能夠吸附多種重金屬離子。但是，GO吸附飽和后很難與水體進行分離，從而限制了GO作為吸附劑的應用。

本文通過把GO和棉線結合制成穩定的三維結構，即GO修飾的功能復合棉線，它是一種碳納米吸附材料，在去除水體中的Pb（II）離子和Cr（III）離子的同時，解決了吸附劑的回收問題。筆者主要研究了功能復合棉線對Pb（II）離子、Cr（III）離子的吸附性能以及離子溶液的初始濃度和吸附劑的用量對吸附性能的影響。結果表明，在所研究的離子溶液濃度范圍內，功能復合棉線上負載的GO對Pb（II）離子、Cr（III）離子的吸附量分別達到了575.72 mg/g、509.63 mg/g。這種吸附材料不僅吸附效率高，而且吸附劑便于和水體分離，為方便、高效地去除水體中的重金屬離子提供了一種可行性。

1 試驗部分

1.1 試驗藥品

棉線（cotton thread，原材料成分棉花纖維）；氯化鉛（PbCl2，AR，上海試四赫維化工有限公司）；氯化鉻（CrCl3·6H2O，AR，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 試驗儀器

場發射掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM，Nova NanoSEM450，美國FEI公司）；激光拉曼光譜儀（Raman spectrometer，inVia Reflex，英國Renishaw公司）；原子吸收光譜儀（atomic absorption spectroscopy，AAS，180-80，日本Hitachi公司）。

1.3 制備方法

采用改進的Hummers法制備氧化石墨，室溫下攪拌、超聲分散成濃度為1 mg/mL、3 mg/mL、5 mg/mL、7 mg/mL的GO溶液。將準備好的棉線分別放入以上四種濃度的GO溶液中，浸泡4 h，再放入烘箱中40℃下干燥12 h，得到四種不同GO濃度修飾的功能復合棉線（簡稱GO1C、GO3C、GO5C、GO7C），裸棉線（簡稱GO0C）和GO修飾的功能復合棉線實物圖，可以看出，GO溶液濃度越大，制備的功能復合棉線顏色越深，表明負載的GO越多。

1.4 重金屬吸附試驗

1.4.1 吸附試驗

將質量為 5 g的 GO0C、GO1C、GO3C、GO5C、GO7C分別加入到體積為100 mL，濃度為200 mg/L的Pb（II）、Cr（III）離子溶液中，室溫下進行靜態吸附，然后在不同時間間隔用移液槍對Pb（II）、Cr（III）溶液進行取樣，使用AAS（火焰法）測定取樣溶液的吸光度，根據標準曲線，得到取樣溶液的濃度值。平衡時的吸附量用式（1）表示：

式中，qe為平衡時的吸附量（mg/g）；c0為離子溶液的初始濃度（mg/L）；ce為吸附平衡時的離子濃度（mg/L）；v為離子溶液的體積（L）；m為吸附劑的質量（g）。

1.4.2 初始濃度對吸附性能的影響

將質量為5 g的GO7C分別加入到體積為100 mL，初始濃度為100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L的Pb（II）和Cr（III）離子溶液中，室溫下進行靜態吸附，同樣使用AAS法測定吸附平衡時的濃度。

2 結果與討論

2.1 功能復合棉線上氧化石墨烯的負載量

單位質量的功能復合棉線上GO的負載量隨著GO溶液濃度變化，GO1C、GO3C、GO5C、GO7C上的GO負載量分別為15.77 mg/g、30.12 mg/g、47.10 mg/g、73.97 mg/g，可以看出，制備功能復合棉線的GO溶液濃度越高，單位質量的功能復合棉線上GO的負載量越大。

2.2 掃描電子顯微圖像分析

不同樣品的SEM圖，（a）～（e）分別是GO0C、GO1C、GO3C、GO5C、GO7C的SEM圖，裸棉線GO0C表面平整光滑，呈堆疊纏繞的帶狀分布，而通過GO修飾的功能復合棉線的纖維表面則包覆有不同形態的GO：GO1C由于GO溶液濃度較小，棉線表面包裹的GO較少，與棉線結合緊密；隨著GO溶液的濃度的增大，GO3C表面的GO呈不平整的片層狀結構，散立于棉線纖維表面；GO5C相較于GO3C，片層狀結構更加完整，GO與棉線結合較為緊密，但是并沒有包覆完全；隨著GO溶液濃度的進一步增大，GO7C包覆的GO更加厚實，與棉線結合緊密。

2.3 功能復合棉線在水中的穩定性

GO5C在水中超聲清洗，超聲清洗后水質仍然清澈，GO在強攪拌作用下沒有從棉線上脫落，表明功能復合棉線在水中具有良好的穩定性。棉線的主要成分是纖維素，纖維素分子具有較高的分子量和大量的羥基基團，使得纖維素分子間、分子內形成作用力極強的氫鍵[17]，這種強健作用使得棉線具備高的濕韌強度。此外，棉線纖維素分子鏈上的羥基與GO上的含氧官能團形成氫鍵，使得GO與棉線間有良好的界面粘結力，所以GO不會從棉線上脫落。

由此可以看出，氫鍵作用使得GO牢固附著于棉線上，超聲清洗試驗進一步驗證了功能復合棉線在水中的穩定性。這種新型的GO修飾的功能復合棉線機械性能高、穩定性好，解決了吸附劑與水體的分離問題，是去除水中重金屬的一種行之有效的方法。

2.4 重金屬吸附性能

2.4.1 功能復合棉線對Pb（II）的平衡吸附量

以功能復合棉線質量計算的對Pb（II）的平衡吸附量，Pb（II）溶液初始濃度為200 mg/L，體積為100 mL，GO0C對Pb（II）基本沒有吸附作用，隨著GO溶液濃度的增大，功能復合棉線對Pb（II）的平衡吸附量不斷增大。以功能復合棉線上負載的GO質量計算的平衡吸附量，GO溶液濃度越大，以GO質量計算的平衡吸附量反而越小。

2.4.2 Pb（II）初始濃度對吸附的影響

當 Pb（II）初始濃度為 100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L時，以GO7C質量計算的平衡吸附量，以棉線上負載的GO質量計算的平衡吸附量，在吸附過程中，Pb（II）初始濃度對重金屬離子的去除有非常大的影響，功能復合棉線的平衡吸附量隨著Pb（II）初始濃度的增大而增大。因為在吸附劑用量相等的情況下，低濃度時溶液中的重金屬離子相對較少，故吸附量低；隨著重金屬離子溶液濃度的增加，固液相間的濃度梯度增大，“離子壓”增加，驅動重金屬Pb（II）向吸附劑運動，從而吸附量增加。

2.4.3 功能復合棉線對Cr（III）的平衡吸附量

Cr（III）溶液初始濃度為200 mg/L，體積為100 mL，以功能復合棉線質量計算的對Cr（III）的平衡吸附量，以棉線上負載的GO質量計算的平衡吸附量，其平衡吸附量變化趨勢和對Pb（II）的平衡吸附量變化趨勢相似，GO0C對Cr（III）也基本沒有吸附能力。

2.4.4 Cr（III）初始濃度對吸附的影響

當 Cr（III）初始濃度為 100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L時，以GO7C質量計算的平衡吸附量，以棉線上負載的GO質量計算的平衡吸附量，功能復合棉線的平衡吸附量隨著Pb（II）初始濃度的增大而增大。

3 結論

本文采用改進的Hummers法制備氧化石墨，合成GO，制備了不同濃度的GO溶液，通過簡單的浸泡和干燥的方法，制備出GO修飾的功能復合棉線，通過控制GO溶液的濃度，來控制棉線上GO的負載量。此外，研究了功能復合棉線對Pb（II）、Cr（III）離子的吸附能力，探討了吸附劑用量和離子溶液初始濃度對吸附性能的影響，得到以下結論。

通過SEM、拉曼光譜和水中的超聲清洗試驗，證明GO和棉線之間粘結力良好，GO可以牢固附著于棉線上。這種新型的GO修飾的功能復合棉線吸附效率高、穩定性好，解決了吸附劑與水體的分離問題，是去除水中重金屬的一種行之有效的方法。

功能復合棉線對Pb（II）、Cr（III）離子的吸附受離子溶液初始濃度的影響，離子溶液初始濃度越大，對Pb（II）、Cr（III）離子的平衡吸附量越大。

綜上所述，本文制備的GO修飾的功能復合棉線吸附效率高、穩定性好，并且吸附劑與水體分離方便，制備方法簡單易操作，為實際應用奠定了良好的基礎，在重金屬吸附領域有著廣闊的應用前景。

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