石墨烯改性及其吸附性能的研究進展

吳春艷 張蕭丹 梁森

摘 要 石墨烯的組成結(jié)構(gòu)非常獨特，它的比表面積非常大，并且化學活性也非常高，同時它的吸附能力也非常強，并引起了環(huán)保主義者的廣泛關(guān)注。然而，石墨烯具有很強的π-π相互作用，粒徑小且易于團聚，其在環(huán)境領域的應用受到限制，因此石墨烯經(jīng)常被改性以解決該問題。在本文中，將重點分析研究石墨烯，以及石墨烯對水中的污染物和重金屬離子等的處理效果。

關(guān)鍵詞 石墨烯;摻雜;重金屬離子;有機污染物;吸附

引言

由于工業(yè)化的快速發(fā)展，采礦、冶金、化工、電鍍等行業(yè)的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量含重金屬離子的廢水被任意排放到自然環(huán)境中，在自然界的水體中，重金屬離子的濃度大于正常指標，這就會導致水中的重金屬污染非常嚴重。由于重金屬的性質(zhì)，環(huán)境中的微生物很難分解，即使在很小的范圍內(nèi)，它們也可能沉積、吸附和經(jīng)過生物鏈反應后最終進入人體并威脅人體健康。在一些廢水中，含有許多的重金屬離子，對于水中的這些重金屬，一般都需要進行有效處理，凈化水資源，處理的方法通常包括以下幾種：沉淀、離子吸附、生物技術(shù)處理等等。對于吸附法來說，它具備以下特點：操作簡便、處理效果好、資金投入少等，因此是一種應用最多的技術(shù)，也是一種最經(jīng)濟的處理方法。

1氧化石墨烯的改性

1.1 氧化石墨烯的化學修飾

經(jīng)硫化物鉆孔和氨基功能化的氧化石墨烯與重金屬的螯合和吸附能力更好，并且比石墨烯更易于分離、回收和再循環(huán)，從而降低了實際應用中的運營成本。有專家進行了氧化石墨烯在硫代改性氧化石墨烯上的反復吸附-脫附-再生實驗，研究了改性石墨烯在重金屬離子上的吸附穩(wěn)定性和循環(huán)利用的可能性。這一化學反應屬于吸熱過程，因此，改變pH值就會影響實際的吸附速度。發(fā)現(xiàn)在pd pH？=10時Cd（II）的去除率達到96.8%，另有專家用分光光度計測量膨脹的三辛胺石墨烯中六價鉻的吸收率，發(fā)現(xiàn)反應在60分鐘內(nèi)就可以實現(xiàn)平衡，并且對于六價鉻這種元素來說，去除量占比可以達到99.4%左右。

1.2 表面改性

石墨烯具有懸掛鍵，并且在邊緣具有未還原的含氧官能團以促進反應。一般來說，表面改性材料主要有以下幾種：表面活性劑、聚合物和有機分子，極性變化（如改善改性石墨烯的物理和化學性質(zhì)）有助于改善石墨烯的分散性和相容性，活性位點的增加加大了吸附能力。Deck等人發(fā)現(xiàn)，可以通過熱化學蒸汽沉積（TCVD）獲得石墨烯。有的人利用聚合技術(shù)生成了用于吸附ClO4-的石墨烯/PPY復合材料的三維網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)改性材料與PPY相比較，它的實際吸附效果更加優(yōu)秀[1]。

2改性氧化石墨烯吸附重金屬的影響因素

用石墨烯去除水體中的重金屬離子的實驗中，根據(jù)最后的實驗結(jié)果可以總結(jié)出以下的結(jié)論，即占主導地位的影響水中雜質(zhì)離子去除質(zhì)量的因素有以下幾種：反應處理的時間、石墨烯能夠吸附的金屬離子數(shù)量、進行反應的實際外界條件、受污染的水中金屬離子的總數(shù)量等等。其中，吸附劑的量對重金屬吸附的影響主要反映在吸附劑表面上的吸附位置。隨著吸附劑數(shù)量的持續(xù)增加，用于重金屬吸附的吸附位點的數(shù)量增加，因此去除效率也將會一定程度上的提高。一般情況下，在化學反應的溫度升高的過程中，水中的重金屬離子的去除效率也將會有效增加[2]。

3改性石墨烯的吸附性能研究

3.1 改性石墨烯對重金屬離子的吸附研究

MGNC對于水中的金屬離子的去除效率會產(chǎn)生一些積極的影響，并表明Cr（VI）可以從水中快速分離。Madrang等人使用EDTA石墨烯從水中去除Pb（II）。結(jié)果，EDTA對Pb（II）具有很強的螯合能力，這在EDTA從石墨烯變形后的短時間內(nèi)顯著增加了穩(wěn)定性，已經(jīng)表明可以做到這一點。鉛離子的吸附容量通常為47946±46mg/g，有的團隊使用石墨烯和納米Fe3O4的組合來吸附Co（II）和Cu（II），改性材料消除了Co（II）和Cu（II）離子的效率，他們發(fā)現(xiàn)了這個強電場，絨毛可以實現(xiàn)高速磁選。還有一些團隊通過將Mn3O4負載到石墨烯上，從水中去除了Sb（II），這項研究說明了以下的問題，即改性材料對Sb（II）的吸附與Langmuir模型一致，為了有效改善聚合物和石墨烯的聚集效果，現(xiàn)在已經(jīng)有一部分科學家將聚合物接枝到石墨烯的上面，他們希望通過實驗可以有效去除水中的金屬離子的效果[3]。

3.2 改性石墨烯對氣體分子的吸附研究

最近，一些科學家已經(jīng)使用石墨烯或石墨烯衍生物吸附CO2、NO2、CO和其他氣體。Zhou等通過水熱合成制備石墨烯-Mn3O4（GMNO）并用于CO2的吸附，在吸附壓力變大的同時，二氧化碳的吸附量也在持續(xù)的變強，吸附的濃度可以達到2.5mol/kg。有一個研究的團隊將石墨烯用作基質(zhì)，將過渡金屬元素Pt和Pd用作摻雜劑，并將基于密度泛函理論的平面波超導偽電勢方法應用于O2和CO分子系統(tǒng)的摻雜同位素，它吸收石墨烯的能量，可以模擬并研究吸附能力，在Pd反應器中要更多的進行摻雜。有團隊證明了在煤表面上使用石墨烯（Gr）結(jié)構(gòu)修飾的非金屬X原子（X=H，O，N，S等）的使用，作為結(jié)構(gòu)異質(zhì)性模型和用于研究的功能密度系統(tǒng)，CH4，CO2，H2O在Gr上的吸附是物理吸附，其吸附能級為H2O>CO2>CH4，CO2和H2O可以與CH4形成競爭性吸附。

4結(jié)束語

綜上所述，改性氧化石墨烯的復合材料在重金屬吸附領域中已取得明顯的成績。然而，實際處理廢水中的重金屬污染，仍然需要解決幾個問題。實際廢水處理中有極少的石墨烯吸附材料的報道，因此應加強對吸附機理的研究，找到合適的吸附條件，并將其進一步應用于重金屬的實際處理中。

參考文獻

[1] 宋軍旺，王博濤，郭睿，等.改性氧化石墨烯對Cu～（2+）吸附性能的研究[J].化學與粘合，2020，42（3）：162-165.

[2] 劉璇，朱美龍，李亞美，等.改性氧化石墨烯對水中亞甲基藍的吸附特性[J/OL].上海海洋大學學報：2020，7（25）：1-8.

[3] 王曉偉.改性石墨烯對水中亞甲基藍的吸附性能研究[J].中國設備工程，2019（18）：107-108.