石墨烯纳米吸附格栅的制备及再生水重金属去除机制研究

For residual heavy metal ions removal from reclaimed water, a novel graphene/graphene oxide (GO/GN) based adsorptive nanobarrier which possesses adsorption capacity and nano-screening capacity will be developed. The GO/GN composites will be functionalized for enhancing pollutants removal capacity. The layer-by-layer method (LBL) development of GO/GN based adsorptive nanobarrier will be conducted through functionalized GO/GN composites, selected supporting membrane and cross-linking agent. Scanning electron microscope, Atomic Force Microscope, X-ray diffraction and Raman spectra will be executed for structure and physicochemical properties analysis of GO/GN based adsorptive nanobarrier. The detailed adsorption and nano-screening mechanisms on heavy metal removal through GO/GN based adsorptive nanobarrier will be figured out. The pollutants removal capacity, desorption and recovery method will be investigated for clearing influence factors of service span of GO/GN based adsorptive nanobarrier. Both simulated and practical wastewater will be used for determining optimal operation condition of GO/GN adsorptive nanobarrier based technique. The achievement of this research will supply new alternative technique on residual heavy metal ions removal from reclaimed water and suitable technical supporting for following research.

针对再生水中残余重金属离子的高效去除，研究新型氧化石墨烯（GO）/石墨烯（GN）纳米吸附格栅的制备技术和吸附-纳米筛分截污协同作用原理。针对目标污染物对GO/GN复合材料进行有机功能化，结合支撑层和交联剂的优选，开发基于层聚法的GO/GN纳米吸附格栅制备技术；运用电镜、原子力显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等方法进行纳米吸附格栅的微观分析，完成其超微结构及物理化学特性表征；研究纳米吸附格栅对不同形态重金属离子及其衍生物的作用特点，揭示其吸附和纳米筛分截留协同作用原理；研究纳米吸附格栅的纳污容量、解吸方法和再生原理，明确材料寿命的制约因素和调控方法；通过模拟污水和实际污水处理实验，确立实现水中重金属离子高效去除的处理工艺和运行条件。项目研究成果将为再生水中残余重金属高效去除新工艺的建立奠定理论和技术基础。

本研究针对再生水中残余重金属离子的高效去除，研究了新型氧化石墨烯（GO）/石墨烯（GN）纳米吸附格栅的制备技术和吸附-纳米筛分截污协同作用原理。针对目标污染物使用APS对GO/GN复合材料进行了有机功能化，结合支撑层材料的优选，开发了基于氧化石墨烯的纳米吸附格栅。研究过程中运用电镜、原子力显微镜、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等方法对纳米吸附格栅进行了微观分析，完成其超微结构及物理化学特性表征；研究纳米吸附格栅对不同形态重金属离子及其衍生物的作用特点，揭示其吸附和纳米筛分截留协同作用原理；研究纳米吸附格栅的纳污容量、解吸方法和再生原理，明确材料寿命的制约因素和调控方法；通过模拟污水和实际污水处理实验，以再生水中Cr(VI)为特征污染物，确立实现水中Cr(VI)高效去除的处理工艺和运行条件。研究结果表明再生水中参与重金属的去除需要在体系中设置电子供体用于高价态重金属的还原。而GO中大量的π电子即可作为该电子来源。通过对GO的表面功能活化通过氨基及羟基基团可以有效的以静电作用抓取液相中的高价态重金属污染物，而后通过GO对其进行还原去除。所开发GO纳米吸附格栅对液相中Cr(VI)的纳污容量达到298mg/g，优于目前报道的大部分重金属污染物分离材料；在不同温度下GO纳米吸附格栅均可对污染物产生明显的去除作用，且所需停留时间较小。本课题的研究成果不仅为再生水中重金属控制提供了有效的理论支撑，而且丰富了再生水中重金属类污染物的控制技术。