石墨烯改性及其吸附性能的研究进展

吴春艳 张萧丹 梁森

摘 要 石墨烯的组成结构非常独特，它的比表面积非常大，并且化学活性也非常高，同时它的吸附能力也非常强，并引起了环保主义者的广泛关注。然而，石墨烯具有很强的π-π相互作用，粒径小且易于团聚，其在环境领域的应用受到限制，因此石墨烯经常被改性以解决该问题。在本文中，将重点分析研究石墨烯，以及石墨烯对水中的污染物和重金属离子等的处理效果。

关键词 石墨烯;掺杂;重金属离子;有机污染物;吸附

引言

由于工业化的快速发展，采矿、冶金、化工、电镀等行业的生产过程中产生的大量含重金属离子的废水被任意排放到自然环境中，在自然界的水体中，重金属离子的浓度大于正常指标，这就会导致水中的重金属污染非常严重。由于重金属的性质，环境中的微生物很难分解，即使在很小的范围内，它们也可能沉积、吸附和经过生物链反应后最终进入人体并威胁人体健康。在一些废水中，含有许多的重金属离子，对于水中的这些重金属，一般都需要进行有效处理，净化水资源，处理的方法通常包括以下几种：沉淀、离子吸附、生物技术处理等等。对于吸附法来说，它具备以下特点：操作简便、处理效果好、资金投入少等，因此是一种应用最多的技术，也是一种最经济的处理方法。

1氧化石墨烯的改性

1.1 氧化石墨烯的化学修饰

经硫化物钻孔和氨基功能化的氧化石墨烯与重金属的螯合和吸附能力更好，并且比石墨烯更易于分离、回收和再循环，从而降低了实际应用中的运营成本。有专家进行了氧化石墨烯在硫代改性氧化石墨烯上的反复吸附-脱附-再生实验，研究了改性石墨烯在重金属离子上的吸附稳定性和循环利用的可能性。这一化学反应属于吸热过程，因此，改变pH值就会影响实际的吸附速度。发现在pd pH？=10时Cd（II）的去除率达到96.8%，另有专家用分光光度计测量膨胀的三辛胺石墨烯中六价铬的吸收率，发现反应在60分钟内就可以实现平衡，并且对于六价铬这种元素来说，去除量占比可以达到99.4%左右。

1.2 表面改性

石墨烯具有悬挂键，并且在边缘具有未还原的含氧官能团以促进反应。一般来说，表面改性材料主要有以下几种：表面活性剂、聚合物和有机分子，极性变化（如改善改性石墨烯的物理和化学性质）有助于改善石墨烯的分散性和相容性，活性位点的增加加大了吸附能力。Deck等人发现，可以通过热化学蒸汽沉积（TCVD）获得石墨烯。有的人利用聚合技术生成了用于吸附ClO4-的石墨烯/PPY复合材料的三维网络，发现改性材料与PPY相比较，它的实际吸附效果更加优秀[1]。

2改性氧化石墨烯吸附重金属的影响因素

用石墨烯去除水体中的重金属离子的实验中，根据最后的实验结果可以总结出以下的结论，即占主导地位的影响水中杂质离子去除质量的因素有以下几种：反应处理的时间、石墨烯能够吸附的金属离子数量、进行反应的实际外界条件、受污染的水中金属离子的总数量等等。其中，吸附剂的量对重金属吸附的影响主要反映在吸附剂表面上的吸附位置。随着吸附剂数量的持续增加，用于重金属吸附的吸附位点的数量增加，因此去除效率也将会一定程度上的提高。一般情况下，在化学反应的温度升高的过程中，水中的重金属离子的去除效率也将会有效增加[2]。

3改性石墨烯的吸附性能研究

3.1 改性石墨烯对重金属离子的吸附研究

MGNC对于水中的金属离子的去除效率会产生一些积极的影响，并表明Cr（VI）可以从水中快速分离。Madrang等人使用EDTA石墨烯从水中去除Pb（II）。结果，EDTA对Pb（II）具有很强的螯合能力，这在EDTA从石墨烯变形后的短时间内显著增加了稳定性，已经表明可以做到这一点。铅离子的吸附容量通常为47946±46mg/g，有的团队使用石墨烯和纳米Fe3O4的组合来吸附Co（II）和Cu（II），改性材料消除了Co（II）和Cu（II）离子的效率，他们发现了这个强电场，绒毛可以实现高速磁选。还有一些团队通过将Mn3O4负载到石墨烯上，从水中去除了Sb（II），这项研究说明了以下的问题，即改性材料对Sb（II）的吸附与Langmuir模型一致，为了有效改善聚合物和石墨烯的聚集效果，现在已经有一部分科学家将聚合物接枝到石墨烯的上面，他們希望通过实验可以有效去除水中的金属离子的效果[3]。

3.2 改性石墨烯对气体分子的吸附研究

最近，一些科学家已经使用石墨烯或石墨烯衍生物吸附CO2、NO2、CO和其他气体。Zhou等通过水热合成制备石墨烯-Mn3O4（GMNO）并用于CO2的吸附，在吸附压力变大的同时，二氧化碳的吸附量也在持续的变强，吸附的浓度可以达到2.5mol/kg。有一个研究的团队将石墨烯用作基质，将过渡金属元素Pt和Pd用作掺杂剂，并将基于密度泛函理论的平面波超导伪电势方法应用于O2和CO分子系统的掺杂同位素，它吸收石墨烯的能量，可以模拟并研究吸附能力，在Pd反应器中要更多的进行掺杂。有团队证明了在煤表面上使用石墨烯（Gr）结构修饰的非金属X原子（X=H，O，N，S等）的使用，作为结构异质性模型和用于研究的功能密度系统，CH4，CO2，H2O在Gr上的吸附是物理吸附，其吸附能级为H2O>CO2>CH4，CO2和H2O可以与CH4形成竞争性吸附。

4结束语

综上所述，改性氧化石墨烯的复合材料在重金属吸附领域中已取得明显的成绩。然而，实际处理废水中的重金属污染，仍然需要解决几个问题。实际废水处理中有极少的石墨烯吸附材料的报道，因此应加强对吸附机理的研究，找到合适的吸附条件，并将其进一步应用于重金属的实际处理中。

参考文献

[1] 宋军旺，王博涛，郭睿，等.改性氧化石墨烯对Cu～（2+）吸附性能的研究[J].化学与粘合，2020，42（3）：162-165.

[2] 刘璇，朱美龙，李亚美，等.改性氧化石墨烯对水中亚甲基蓝的吸附特性[J/OL].上海海洋大学学报：2020，7（25）：1-8.

[3] 王晓伟.改性石墨烯对水中亚甲基蓝的吸附性能研究[J].中国设备工程，2019（18）：107-108.