二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機(jī)制及應(yīng)用研究

摘要：探討二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機(jī)制及其應(yīng)用潛力。采用液相剝離法制備石墨烯、MoS2和WS2二維納米材料，并構(gòu)建模擬重金屬廢水體系，研究3種材料對Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金屬離子的吸附行為。采用Langmuir和Freundlich等溫線模型及準(zhǔn)二級動力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)合傅立葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR）和X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）表征分析吸附機(jī)制。結(jié)果表明，二維納米材料表現(xiàn)出高效吸附能力，在pH值較小時對重金屬離子的選擇性吸附效果更顯著。

關(guān)鍵詞：二維納米材料；重金屬廢水；吸附機(jī)制

中圖分類號：TB383.1；X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Study on Adsorption Mechanism and Application of Two-Dimensional Nanomaterials in Heavy Metal Wastewater Removal

Abstract： This study explores the adsorption mechanism and application potential of two-dimensional nanomaterials in the removal of heavy metal wastewater. Two-dimensional nanomaterials such as graphene， MoS2 and WS2 were prepared by liquid phase stripping and a simulated heavy metal wastewater system was constructed to study the adsorption behaviour of three materials on Pb2+， Cd2+and Hg2+ heavy metal ions. Langmuir and Freundlich isotherm models and quasi-second-order kinetic models were used for data fitting， and the adsorption mechanism was analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR） and X-ray Photoelectron Spectroscopy （XPS） characterization. The results show that the two-dimensional nanomaterials exhibit high adsorption capacity， and the selective adsorption effect of heavy metal ions is more significant at low pH.

Keywords： two-dimensional nanomaterial; heavy metal wastewater; adsorption mechanism

近年來，重金屬廢水的排放已成為全球性環(huán)境問題，重金屬離子具有生物累積性和持久毒性，對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康造成嚴(yán)重威脅[1]。化學(xué)沉淀、離子交換等傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法存在操作復(fù)雜、成本高、處理效果不穩(wěn)定等問題[2]。二維納米材料因其高比表面積、豐富的表面官能團(tuán)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在重金屬廢水吸附處理中的應(yīng)用潛力巨大[3]。石墨烯、過渡金屬硫化物等二維材料在吸附重金屬離子時表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附容量和優(yōu)異的選擇性，然而其吸附機(jī)制和動力學(xué)特性仍有待深入研究[4]。本研究探討3種不同的二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機(jī)制，為提高廢水處理效率提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 二維納米材料的制備

1.1.1 制備方法

二維納米材料利用液相剝離法制備，采用N-甲基吡咯烷酮或異丙醇作為溶劑，利用超聲波將塊體材料剝離為單層或少層納米片。關(guān)鍵參數(shù)為超聲時間、功率和溫度，影響材料的層數(shù)和比表面積。

1.1.2 材料與設(shè)備

所需原材料包括高純度的MoS2、WS2或石墨烯粉體，溶劑選用N-甲基-2-吡咯烷酮或異丙醇。超聲波清洗器用于剝離材料，高速離心機(jī)用于分離未剝離物。透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡用于表征材料的層數(shù)和表面形貌，比表面積分析儀用于測定比表面積與孔徑分布，X射線衍射儀用于表征晶體結(jié)構(gòu)，紅外光譜儀用于分析材料表面官能團(tuán)。

1.2 構(gòu)建重金屬廢水模擬體系

構(gòu)建重金屬廢水模擬體系需嚴(yán)格控制重金屬離子濃度、pH值、溫度和離子強(qiáng)度，以準(zhǔn)確評估二維納米材料的吸附性能。重金屬離子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+可采用溶解高純度金屬鹽制備，濃度梯度設(shè)置為10～1 000 mg/L，pH值設(shè)定為3～7，利用HCl或NaOH調(diào)節(jié)并實時監(jiān)測，如表1所示。

1.3 吸附試驗

試驗設(shè)置5種重金屬離子濃度梯度，分別為10、50、100、500、1 000 mg/L，借助電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）或原子吸收光譜（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）實時監(jiān)測溶液中重金屬離子濃度的變化，以計算單位質(zhì)量二維納米材料對重金屬離子的吸附量。每組試驗反應(yīng)結(jié)束后，經(jīng)離心分離出吸附劑，取上清液測定殘余重金屬離子濃度。吸附量的計算公式為

式中：q為吸附量；C1為初始濃度；C2為平衡濃度；V為溶液體積；m為吸附劑質(zhì)量。研究二維納米材料在pH值為3～7時的吸附行為，采用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值。試驗在3種溫度條件下（25 ℃、35 ℃、45 ℃）進(jìn)行，探究吸附的熱力學(xué)特性。為評估二維納米材料在多重金屬離子共存體系中的選擇性吸附行為，構(gòu)建Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+這4種離子混合溶液，并采用ICP-MS檢測不同離子的競爭性吸附量，分析二維納米材料對各重金屬離子的選擇性吸附性能。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用吸附等溫模型和動力學(xué)模型擬合，解析二維納米材料對重金屬離子的吸附機(jī)制。等溫模型用于評估吸附容量與平衡濃度的關(guān)系，動力學(xué)模型用于揭示吸附速率與時間的相關(guān)性。利用熱力學(xué)參數(shù)分析吸附過程的焓變、熵變及吉布斯自由能，判斷吸附的自發(fā)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能分析

化學(xué)吸附增強(qiáng)了重金屬離子去除效果，當(dāng)pH值較小時，吸附量顯著提升。二維納米材料的性能測試結(jié)果如表2所示。對比不同材料的吸附性能發(fā)現(xiàn)，石墨烯由于具有較大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，吸附能力顯著高于MoS2和WS2。傅立葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR）和X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）的表征結(jié)果顯示，羥基、羧基等表面官能團(tuán)在吸附過程中與重金屬離子形成強(qiáng)烈的化學(xué)鍵合作用。

2.2 吸附溫線模型與動力學(xué)模型擬合

二維納米材料的吸附行為符合Langmuir等溫線模型和Freundlich等溫線模型，吸附過程為單分子層吸附和多層吸附。Langmuir模型與Freundlich模型的擬合參數(shù)如表3所示。動力學(xué)分析顯示，吸附為化學(xué)吸附，吸附量隨溫度升高而增加，屬吸熱反應(yīng)。動力學(xué)模型的擬合參數(shù)如表4所示。相較于二維納米材料，傳統(tǒng)吸附材料在重金屬廢水去除中的吸附容量較低。劉濤[5]通過研究發(fā)現(xiàn)，活性炭對Cd2+的吸附容量為66.7 mg/g，生物炭對Cd2+的吸附量為52.9 mg/g。在本研究中，石墨烯、MoS2和WS2等二維納米材料的吸附容量分別為250.346、180.114、170.461 mg/g，表現(xiàn)出顯著的吸附優(yōu)勢。這種顯著提升得益于二維納米材料的高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，有利于增強(qiáng)與重金屬離子的化學(xué)吸附和離子交換作用。二維納米材料的吸附行為符合Langmuir吸附模型，表明其吸附過程主要為單分子層吸附，并且具有較高的飽和吸附容量。準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合顯示，二維納米材料的吸附速率主要受化學(xué)吸附控制。

2.3 表面吸附分析

二維納米材料在吸附重金屬離子后，表面羥基、羧基和硫氫基的化學(xué)吸附顯著增強(qiáng)。吸附前后的FTIR分析結(jié)果如表5所示，吸附前后的XPS分析結(jié)果如表6所示。吸附熱力學(xué)分析表明，二維納米材料對重金屬離子的吸附為吸熱反應(yīng)，這與重金屬離子在納米材料表面發(fā)生的物理擴(kuò)散及化學(xué)吸附密切相關(guān)[6]。在多重重金屬離子共存體系中，競爭性吸附試驗結(jié)果顯示Pb2+的選擇性系數(shù)為1.951，遠(yuǎn)高于Cd2+和Hg2+。

3 結(jié)論

二維納米材料具有良好的吸附性能，將其作為吸附劑用于處理各類廢水已成為當(dāng)前研究的重點。研究表明，二維納米材料在重金屬廢水去除中具備卓越的吸附能力。吸附溫線與動力學(xué)模型擬合結(jié)果表明，二維納米材料的吸附過程以化學(xué)吸附為主，且FTIR和XPS表征驗證了吸附機(jī)制主要為材料表面活性基團(tuán)與重金屬離子的相互作用。二維納米材料在重金屬廢水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，其高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)能夠顯著提升吸附效果。

參考文獻(xiàn)

1 曾 虹.改性聚苯乙烯樹脂對重金屬廢水的吸附效能研究[J].綠色科技，2024（12）：78-81.

2 李 敏.兩種鋁污泥輕質(zhì)填料耦合人工濕地微生物燃料電池處理重金屬廢水效能研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2024.

3 郭 彬，蘇宏建.基于微納米氣泡修復(fù)技術(shù)的地下水重金屬污染實驗[J].黑龍江科學(xué)，2024（8）：18-20.

4 陳嘉超，陳志輝，朱雅嫻，等.零價鐵材料去除廢水中重金屬的研究進(jìn)展[J].供水技術(shù)，2024（2）：26-33.

5 劉 濤.二維氮化硼納米材料的制備及其去除水中重金屬離子的機(jī)理研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2019.

6 王 榮.重金屬作用下菌藻共生系統(tǒng)污水處理效能變化及響應(yīng)機(jī)制研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2023.