石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)水中重金屬離子Pb2+的吸附性能研究進(jìn)展

韓夢(mèng)　張永明　高志影

摘 要：石墨烯的片層結(jié)構(gòu)具有很大的比表面積、化學(xué)熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，本文簡(jiǎn)單綜述了石墨烯及其改性復(fù)合材料的制備及對(duì)水體中二價(jià)鉛離子的吸附性能研究情況，并對(duì)其發(fā)展前景做了展望。

自2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)被研究者應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，因此科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得了 2010 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。重金屬Pb2+ 離子，對(duì)人體神經(jīng)產(chǎn)生很大危害，對(duì)兒童智力發(fā)育影響尤其嚴(yán)重，故本文主要總結(jié)了石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)水中重金屬離子Pb2+的吸附應(yīng)用。

1.石墨烯及其復(fù)合材料制備

對(duì)石墨烯材料的制備目前主要有傳統(tǒng)的機(jī)械剝離法，此法簡(jiǎn)單，但產(chǎn)量低;除此之外，還有化學(xué)沉積法，氧化還原法等。對(duì)石墨烯復(fù)合材料的制備有溶膠-凝膠法、化學(xué)還原法等。

2.石墨烯及其復(fù)合材料對(duì)Pb2+吸附研究

石墨烯表面含有羰基、羥基，羧基等基團(tuán)，使得它具有良好的親水性，并可以和金屬離子發(fā)生作用，從而達(dá)到分離水中的重金屬離子。水體中有害重金屬離子很多，本文只討論對(duì)Pb2+吸附研究情況。

王波等[1]通過氧化還原法制備了氧化石墨烯并對(duì) Pb2+的吸附性能進(jìn)行了考察，測(cè)得在室溫時(shí)對(duì)Pb2+靜態(tài)飽和吸附質(zhì)量比為 396.6 mg/g 。

Li等[2]利用化學(xué)氣相沉積法制備出三維石墨烯宏觀體，三維石墨烯不僅具有高的機(jī)械性、強(qiáng)的導(dǎo)電性和大的比表面積，研究發(fā)現(xiàn)其對(duì)Pb2+有很強(qiáng)的吸附能力，其吸附容量為882mg/g。

柴靜等[3]用乙酰丙酮還原氧化石墨烯得到石墨烯，對(duì) Pb2+ 進(jìn)行了吸附性能測(cè)試，最大吸附量為 105.4mg/g，原因在于石墨烯的大的比表面積及乙酰丙酮分子對(duì) Pb2+ 離子的強(qiáng)絡(luò)合能力。

Hao 等[4]通過溶膠-凝膠法合成了石墨烯/SiO2 納米復(fù)合物材料，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料水體中 Pb2+高度的選擇性吸附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此復(fù)合材料Pb2+的最大吸附量為 113.6 mg/g。原因在于石墨烯摻雜分散了納米二氧化硅，提高了比表面積，金屬離子 Pb2+與表面帶負(fù)電的復(fù)合材料通過靜電作用吸附到表面。

Madadrang等[5]利用硅烷化反應(yīng)制備了GO/EDTA，由于具備強(qiáng)絡(luò)合能力的EDTA引入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在pH值為6.8時(shí)復(fù)合材料對(duì)Pb2+的飽和吸附量高達(dá)479mg/g，吸附時(shí)間為20min。

Lee等[6]將二氧化鈦前驅(qū)體先分散在異丙醇中，再與用溶有氧化石墨烯的溶液混合，通過水熱法制備了氧化石墨烯/二氧化鈦復(fù)合材料，該復(fù)合材料對(duì)重金屬離子Pb2+的飽和吸附量可達(dá)65.6mg/g。

殼聚糖由于具有親水性、無毒性、生物相容性等特征，是一種常用的生物吸附劑。He[7]用冷凍干燥法制備了氧化石墨烯/殼聚糖。當(dāng)氧化石墨烯在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合材料對(duì)Pb2+的飽和吸附量達(dá)99mg/g。Liu等[8]將氧化石墨烯/殼聚糖應(yīng)用于水中Pb2+的去除，發(fā)現(xiàn) GO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣為5%的復(fù)合材料吸附效果最好，對(duì)Pb2+的飽和吸附量可達(dá)216.9mg/g 。復(fù)合材料吸附量增加的原因在于氧化石墨烯的引入增加了表面積。

Musico等[9]研制出聚（N-乙烯基咔唑）/氧化石墨烯，對(duì)污水中 Pb2+的去除進(jìn)行了研究。結(jié)果表明， 該復(fù)合材料對(duì)Pb2+的吸附性受 pH值變化的影響，高pH值的環(huán)境有利于吸附過程的進(jìn)行。當(dāng)pH值為7時(shí)，N-乙烯基咔唑單體與氧化石墨烯質(zhì)量比例為1：9，反應(yīng)90min后， 制備所得復(fù)合材料對(duì)Pb2+的最大吸附容量可達(dá)887.98mg/g 。

趙陽(yáng)等[10]制備了功能化氧化石墨烯/纖維素復(fù)合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對(duì)鉛離子具有優(yōu)異的吸附性能，吸附最大量可達(dá)到105mg/g。

3.結(jié)束語(yǔ)

石墨烯產(chǎn)業(yè)雖然取得了一定的成績(jī)，但石墨烯的應(yīng)用成本相對(duì)較高，且石墨烯材料的再生研究有待進(jìn)一步完善。因此石墨烯復(fù)合材料成本的降低和高效循環(huán)使用技術(shù)， 仍然是推廣石墨烯材料在水處理領(lǐng)域中應(yīng)用迫切要解決的問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王波， 張帆， 黃福. 還原態(tài)氧化石墨烯的制備及其對(duì)重金屬離子的吸附性能 [J]. 應(yīng)用化學(xué)， 2014， 31（4）：? 502 - 504.

[2]Li W， Gao S， Wu L， et al. High-density three-dimension grapheme macroscopic objects for high capacity removal of heavy metal ions[J]. Sci. Rep.， 2013， 3（10）：2125-2131.

[3]柴靜，胡南滔，朱齊榮，等. 石墨烯的制備及其對(duì)重金屬Pb2+離子的吸附性能研究[J].化工新型材料，2014，42（1）：77—79，89.

[4] Hao L Y，Song H J，Zhang L C，et al. SiO2 /graphene composite for highly selective adsorption of Pb（Ⅱ） ion[J]. Journal of Colloid and Interface Science，2012，369：381-387.

[5]Madadrang C J， Kim H Y， Gao G H， et al. Adsorption behavior of EDTA-graphene oxide for Pb（II） removal[J]. ACS. Appl. Mater. Interfaces， 2012， 4（3）： 1186-1193.

[6]Lee Y C， Yang J W， et al. Self-assembled flower-like TiO2 on exfoliated graphite oxide for heavy metal Removal[J]. J. Ind. Eng.Chem.， 2012， 18（3）： 1178-1185.

[7]He Y Q， Zhang N N， Wang X D. Adsorption of graphene oxide/chitosan porous materials for metal ions[J]. Chin. Chem. Lett.， 2011， 22（7）： 859-862.

[8]Liu L， Li C， Bao C L， et al. Prepatation and characterization of chitosan/graphene oxide composites for the adsorption of Au（III） and Pd（II）[J]. Talanta， 2012， 93： 350-357.

[9]Musico Y L F， Santos C M， Dalida M LP， et al. Improved removal of lead（II） from water using apolymer-based grapheme oxide nanocomposite[J]. J. Mater. Chem. A， 2013， 1（11）： 3789-3796.

[10]趙陽(yáng)，趙玉真，張永明，等. 功能化氧化石墨烯/ 纖維素共混復(fù)合材料對(duì) Pb2+ 吸附性能的研究[J]. 纖維素科學(xué)與技術(shù)，2018，26（3）：39-44.