GR吸附铅离子.doc

低温剥落石墨烯纳米层对水溶液中铅离子的吸附摘要：真空提升低温剥落得到的石墨烯纳米层(GNSs)用于吸附水相中的铅离子。得到的原始的、热改进的GNSs做了扫描电镜表征和X射线光电子能谱分析。很有意思的是，热处理后的对铅离子的吸附作用提高了，尽管GNSs的氧化复合物表现出降低。另外，铅离子的去除是溶液的pH略微上升。推测是由于真空下热处理后的GNSs的路易斯碱度提高，更偏向于铅离子的吸附和 上GNSs上。引言铅离子通常存在于工业和农业废水以及陆地的酸的沥出物具有相对较高的浓度。它们对于人类和生物具有相当的危险性，引起了一系列的安全问题，如恶心、抽搐、昏迷、肾衰竭、癌症以及对新陈代谢和智力的微弱影响。介于在地球化学系统中铅离子作为一种重金属污染的重要性以及它的高毒性，许多技术用于去除铅离子，例如沉淀、膜过滤、溶剂萃取、吸附等。在这些技术里面，目前认为吸附是高效且最经济的。另外，这对于理解土壤液相界面中重金属的累积也是一种重要的方法。碳纳米管、活性碳、粘土矿、微生物、电场废料以及工业农业副产物都作为吸附剂广泛研究。一般，吸附很大程度上取决于吸附剂的孔结构和表面积，然而金属离子的去除很大程度上取决于离子交换或者特定吸附位点的化学吸附。低浓度下，金属离子在固体的吸附主要是一个表面调和的过程，可以把吸附位点与金属离子之间的络合反应用热力学模型描述。因此，这种表面化学的协调很大的影响了金属离子的吸附过程。GNS，作为一种理想的二维材料，被大片的特定表面积(SSA)表征，理论上通过单层碳材料计算是2630 m2/g。从这点考虑，石墨烯是一种无孔的吸附剂，吸附也主要发生在它的二维面(外表面)，像多孔碳一样从内孔分散中逃离，但是仅仅受外部分散的控制，由于石墨烯是自由的聚合结构有开放的离子交换通道，这就导致它有短的周期达到吸附平衡。目前的实验研究和理论计算显示，基于GNS的材料具有高吸附性能。杨等证明了石墨烯的氧化物对于Cu2+具有高的吸附能力，比活性炭的吸附能力高10倍。在我们先前的研究中，我们发现石墨烯粉末可以吸附亚甲基蓝在溶液中表现出高的吸附能力。实验部分略结果与讨论低温剥落石墨烯的表面化学。我们先前研究揭示，高度真空和200oC低温热处理对于延展石墨烯和运移氧有一个向外的力，导致有效的剥离和形成层数少的石墨烯。之前数据显示，超过60%的石墨烯层是单层的，本研究中用到的石墨烯，基于N2吸收是400 m2/g，基于液体吸附是1000 m2/g，亚甲基蓝作为吸附质。石墨烯层是多层的对于像亚甲基蓝这种吸附质在室温下没有太大障碍(超声就可以分散)但是对于氮气在石墨烯表面的吸附有妨碍(粉末聚集)在低温(77K)，这或许是气态和液态吸附SSA值不同的原因。基于这一点，基于液态吸附的SSA值对于理解液相中Pb2+的吸附更有帮助。图1显示了低温剥落石墨烯的典型扫描电镜图。不同温度下热处理后，石墨烯的形态和SSAs值没有明显不同。然而，这种物质在X光电子分光技术(XPS)显示不同。高温热处理导致氧含量极度降低，由XPS光谱图可以看出(图2a)。碳的1s的XPS光谱，图2b中描绘的，由于碳原子在不同的氧的官能团里从双螺旋结构变为四个组成；(a)在284.8eV的碳碳双键，(b)在286.2eV的碳氧单键，(c)287.9eV的碳氧双键，(d)289.0eV的O-C=O键。另外，由于-*键在291eV有额外的组成。碳的1s的XPS光谱弯曲拟合结果在表1中总结。很有趣的发现，醇、醚羟基官能团减少，但是热处理温度越高，羧基官能团越多，尽管总的含氧官能团减少。GNSs上铅离子的吸附。图3显示了先前的以及热处理改进的GNSs在30oC以及pH=4时的吸附量图。对于GNSs，随着平衡浓度增加，吸附量增加，符合L型等温线。很有趣的发现，高温热处理后在实验浓度范围内对铅离子的吸附提高。图4显示了用0.0125g GNSs做吸附剂不同初始浓度对于去除铅离子的影响。随着初始浓度的提高，铅离子去除率下降。在低的初始浓度，表面积和吸附可用位点相对较高，吸附质很容易被吸附和去除。在高的初始浓度，总的可利用吸附位点有限，因此导致吸附质的去除率下降。另一方面，与吸附量的改变类似，处理温度越高，去除率也增