还原条件下氧化石墨烯对铅离子吸附/解吸附性能的研究

摘要

近年来，一种新颖的碳纳米吸附材料，氧化石墨烯（GO，Graphene oxide）及其衍生合成物，对水中多种重金属离子表现出强大的吸附能力。氧化石墨烯是石墨在强氧化剂作用下基片层间键断裂形成的单层或多层片状纳米材料，经过强氧化作用后在GO片层表面及边缘存在大量的羰基（C=O）、羧基（O-C=O）、羟基（C-O）、环氧基（-O-）等含氧官能团，氧化石墨烯的强吸附能力就主要依靠这些含氧官能团与水中重金属离子之间的络合作用而完成的。 氧化石墨烯可以通过多种方式被还原为还原氧化石墨烯（rGO，reduced Graphene Oxide），还原过程的显著特征是GO表面部分含氧官能团的消失，因此GO还原前后的吸附能力存在差异，尽管氧化石墨烯还原的方法很多，但其中厌氧条件下微生物还原GO为rGO的过程更具有环境普遍性，基于GO吸附重金属离子处理技术的适用性考虑，有必要对GO材料本身、以及附着重金属离子的GO在典型还原条件的重金属吸附以及解吸附特征进行研究。 针对地下水还原条件下附着铅离子氧化石墨烯（GO）纳米颗粒的环境稳定性，本实验以三大有毒重金属之一的铅为目标污染物，通过在厌氧条件下投加硫化物模拟地下水常见的硫酸盐还原条件，研究了厌氧条件下Na2S还原对氧化石墨烯吸附铅离子以及解吸附过程的影响。采用X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、X—射线衍射以及表面增强拉曼技术对吸附与解吸附的过程机理进行分析比较。 研究成果包括： （1）GO及经Na2S还原生成rGO对铅离子的吸附过程符合Langmuir吸附模型，最大吸附容量分别为937.65、92.99 mg·g-1，厌氧条件下被硫化物还原后的氧化石墨烯对Pb的吸附容量减小； （2）厌氧条件下Na2S还原引起氧化石墨烯表面吸附的铅释放，实验条件下有19.9%-35.3%被吸附的铅以离子的形态释放出来。 （3）光谱分析表明，吸附铅离子的氧化石墨烯在厌氧条件下被Na2S还原致使GO表面含氧官能团减少，造成铅离子的解吸附，解吸附释放出的部分铅离子与反应体系中的硫化物结合生成PbS沉淀。 （4）附着铅的氧化石墨烯进入还原环境后，以Pb2+离子形式解吸附释放的Pb会引起水体的再污染。