三维氧化石墨烯的构建及其对重金属离子的吸附机制研究

According to the characteristics of heavy metal wastewater, three-dimensional graphene oxide will be fabricated and the internal relations between pore structure and surface chemical properties of three-dimensional graphene oxide and adsorption properties will be investigated to clarify the adsorption mechanism of three-dimensional graphene oxide for heavy metal ion. The main researches include (1) on the base of the design and control of the preparation conditions, three-dimensional graphene oxide with a specific pore structure and surface chemical properties are prepared by chemical cross-linking. Moreover, the adsorption capacity studied by static adsorption experiment; (2) the pore structure is characterized by BET specific surface analyser, pore size distribution instrument and high resolution transmission electron microscope, thus the relations of pore structure of three-dimensional graphene oxide and adsorption characteristics are ascertained and (3) the surface chemical properties are performed by Fourier transform infrared spectrometer, X-ray photoelectron spectroscopy, ZETA potentiometric analyzer and Boehm titration method， by which the ralations between the surface chemical properties and adsorption characteristics are determined. Consequently, the adsorption mechanism is revealed, which will become theoretical basis of preparing new adsorption materials with optimum adsorption property for heavy metal ion.

针对重金属废水的特点，本项目拟构建三维氧化石墨烯，探讨三维氧化石墨烯的孔结构和表面化学性质与其吸附性能之间存在的内在联系，阐明其对重金属离子的吸附机制。具体包括：(1)通过设计和控制制备条件，采用化学交联法制备具有特定孔结构和表面化学性质的三维氧化石墨烯，对水溶液中重金属离子进行静态吸附实验研究；(2)利用BET比表面积分析仪、孔径分布仪和高分辨透射电镜对复合材料孔结构进行表征，查明孔结构与吸附特性之间的关系；(3)利用红外光谱、X射线光电子能谱、ZETA电位和Boehm滴定法对材料表面化学性质进行表征，探明其表面化学性质与吸附特性之间的关系。从而揭示三维氧化石墨烯对重金属离子的吸附机制，为制备对重金属离子具有优异吸附性能的新型吸附材料提供理论依据。

目前我国水体重金属污染严重。为了解决水体重金属污染，本项目通过改变实验条件，对三维氧化石墨烯的孔结构和表面化学性质进行设计，制备具有一定微观结构的三维氧化石墨烯，并利用扫描电子显微镜、红外光谱、孔径分布、Raman光谱等对三维氧化石墨烯进行了相关表征。通过静态吸附实验，研究三维氧化石墨烯的孔结构、表面化学性质与其对重金属离子的吸附性能之间的关系，结合国内外的研究成果，建立构效关系，阐明三维氧化石墨烯对水溶液中重金属离子的吸附机制。研究结果表明，通过化学交联法制备的三维氧化石墨烯具有丰富的孔结构，表面具有大量的官能团。其中孔径主要分布在2nm-10nm之间和其表面具有-OH、-NH等官能团的三维氧化石墨烯对水体中六价铬的吸附性能较好。随着pH的增加吸附容量减小，当pH为2时，吸附容量达最大值为38.2mg/g；三维氧化石墨烯对水体中六价铬的吸附实验数据能较好地用Langmuir吸附等温线拟合。吸附动力学研究表明，吸附符合准二级动力学模型，颗粒内部扩散为限速步骤。根据吸附热力学研究，当溶液温度为308 K时，ΔG小于零，表明三维氧化石墨烯对六价铬的吸附在溶液温度为308 K时是自发进行的；当温度为288和298 K时，ΔG大于零，表明该吸附不是自发的；随溶液温度的增加ΔG减少，说明高温有利于吸附过程的进行；经计算ΔH为59.62 KJ•mol-1，表明吸附过程发生了吸热反应；ΔS为201.7J•mol-1•K-1，说明该吸附过程为熵增加的过程。三维氧化石墨烯吸附水体中重金属离子的主要机理是静电引力。本项目的研究结果为制备具有优异吸附性能的新型吸附材料提供理论指导，将有助于解决重金属废水污染问题，表现出重要的实际应用价值和社会环境效益。