氧化石墨烯 @钛酸盐杂化物在废水重金属处理中的卓越效能

研究人员合成 rGOTHs 用于去除废水中重金属，其吸附性能优异、可循环，为废水处理提供新途径。

　　

研究背景：废水重金属污染，亟待有效解决

在当今社会，工业的蓬勃发展带来了诸多环境问题，其中废水被重金属离子污染的情况尤为严峻。电池制造、采矿、电镀和炼油等行业排放的废水，含有大量有毒重金属。这些重金属无法自然降解，会在生态系统中不断累积，沿着食物链逐渐富集，对自然界的所有物种，尤其是人类的健康构成严重威胁。想象一下，河流被重金属污染，水中的鱼虾等生物体内积累了重金属，人类食用这些受污染的生物后，健康问题接踵而至，这绝非危言耸听。

为了控制重金属污染，在废水排放前对其进行妥善处理迫在眉睫，必须使其达到政府规定的排放标准。目前，虽然有吸附、混凝 - 絮凝、电化学处理和化学沉淀等多种技术可用于去除废水中的重金属离子，但这些技术或多或少都存在一些问题。例如，一些纳米材料虽有高效的吸附性能，但在环境中难以分离回收，还会对生态系统造成危害；传统的负载型纳米材料又因载体亲和力差、纳米颗粒团聚严重，导致吸附效率大幅下降。因此，开发新型、高效且易于应用的吸附材料成为解决这一问题的关键。

在这样的背景下，中国科学院东北地理与农业生态研究所的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《BMC Chemistry》上。他们合成了还原氧化石墨烯 @钛酸盐杂化物（rGOTHs），旨在探索其在批量和固定床系统中去除废水中重金属的潜力，为解决废水重金属污染问题开辟新的道路。

研究方法：多技术结合，探索 rGOTHs 性能

研究人员采用了多种先进技术来深入研究 rGOTHs 的性能。在材料合成方面，先通过改进的 Hummer 法制备氧化石墨烯（GO）溶液，再将其与四丁基钛酸酯（TBOT）反应，经水解、离心分离、碱性水热反应等一系列步骤，成功合成 rGOTHs。

为了全面了解 rGOTHs 的微观结构，研究人员运用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析（TGA）等技术进行表征。在吸附性能研究上，分别进行了批量吸附实验和固定床吸附实验。批量吸附实验利用恒温培养箱，研究 rGOTHs 对 Pb²⁺、Cd²⁺和 Cu²⁺的吸附行为；固定床吸附实验则使用填充 rGOTHs 的固定床柱，处理人工电池废水和工业区域河口污水，测定重金属残留浓度。

研究结果：rGOTHs 性能卓越，处理废水潜力巨大

1. rGOTHs 的结构特征：SEM 图像显示，rGOTHs 呈现三维片状堆叠结构，尺寸可达数百微米，这一特点使其在吸附后易于沉淀分离，非常适合批量和固定床吸附应用。XRD 图谱表明，rGOTHs 具有钠三钛酸盐（Na_xH_2-xTi₃O₇·H₂O）的特征峰，同时氧化石墨烯的特征峰降低，证明了氧化石墨烯的还原。FTIR 光谱显示，rGOTHs 出现了新的与钛酸盐相关的吸附带，表明 GO 和钛酸盐成功结合。TGA 曲线测定出不同 rGOTHs 中钛酸盐的含量，且含量越高，吸附能力越强，综合考虑选择 rGOTHs15 作为最佳吸附剂。
2. 吸附动力学和等温线：对 Pb²⁺、Cd²⁺和 Cu²⁺的吸附动力学研究表明，吸附过程符合伪二级动力学模型，说明化学吸附和表面络合是吸附速率的限制步骤。吸附等温线符合 Langmuir 模型，表明吸附为单分子层覆盖，rGOTHs15 对 Pb²⁺、Cd²⁺和 Cu²⁺的最大吸附容量分别为 530.5 mg/g、201 mg/g 和 130.5 mg/g，对 Pb²⁺的亲和力更高。
3. 影响吸附的因素：pH 对吸附性能影响显著，在 pH 为 5 时，rGOTHs15 对三种重金属离子的去除率最高。共存离子中，Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺对 Pb²⁺吸附影响较小，而二价离子 Ca²⁺、Mg²⁺对 Cd²⁺和 Cu²⁺的吸附有较大影响，腐殖酸（HA）在低浓度时促进吸附，高浓度时可能导致胶体分子不稳定。
4. 回收性能和竞争吸附：rGOTHs15 经过 6 次循环后，对 Pb²⁺、Cd²⁺和 Cu²⁺的吸附率仍分别达到 94.0%、80.7% 和 65.5%，显示出良好的回收能力。在竞争吸附实验中，rGOTHs15 对 Pb²⁺的亲和力远高于其他离子，增加吸附剂用量可使多种重金属离子的残留浓度达到排放标准。
5. 吸附机制：FTIR 和 XPS 分析揭示了 rGOTHs15 的吸附机制，离子交换、静电相互作用和配位作用在吸附过程中发挥了重要作用。离子交换表现为 rGOTHs15 中的 Na⁺与重金属离子发生交换；静电吸附体现在氧原子提供电子与重金属离子相互作用；配位作用则是 rGO 中的含氧基团与重金属离子配位。
6. 实际废水处理效果：在固定床系统中，rGOTHs15 填充柱对模拟实际废水的处理效果显著。对于单一 Pb²⁺污染的电池制造废水，在不同排放标准下有较高的有效处理体积和突破容量；对于多种重金属污染的河口污水，rGOTHs15 对 Pb²⁺具有选择性吸附，且对其他重金属离子也有一定的去除效果，整体表现优于传统活性炭吸附剂。

研究结论与意义：开启废水处理新篇章

综上所述，本研究成功合成了 rGOTHs，这种材料在去除废水中的重金属方面展现出高效性、良好的可回收性和固定床处理的可行性。其吸附机制明确，对 Pb²⁺具有高选择性吸附。rGOTHs 的这些优异性能为实际废水处理提供了新的选择，具有巨大的应用潜力。然而，目前研究也存在一些局限性，如缺乏实际重金属污染废水样本的测试，固定床柱中的一些参数（如流速、空床接触时间、床体积）还需要进一步优化，这些将是未来研究的方向。但不可否认的是，这项研究为解决废水重金属污染问题迈出了重要一步，有望推动相关领域的进一步发展，为保护生态环境和人类健康做出贡献。