氧化还原电位驱动下氧化石墨烯对铅吸附/解吸附特征研究

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氧化石墨烯(GO)是石墨经过化学氧化制备石墨烯膜的中间产物,结构与石墨烯相似,表面存在大量羧基(O-C=O)、羟基(C-O)和环氧基(O-C-O)等含氧官能团。在一些特定条件下(热还原、化学及电化学还原等),GO可被还原为还原氧化石墨烯(r-GO)。与GO相比,r-GO对水中重金属离子的吸附性能明显降低。电化学法还原的有效性证明氧化还原电位(ORP)在GO结构转变中起着重要作用。基于天然水环境和水处理流程中普遍存在的ORP域度变化的特征,有必要对进入水体中吸附于GO表面的吸附态重金属污染物的稳定性进行研究。本文通过电化学方法提供了不同的ORP条件,研究了在模拟水环境ORP驱动下GO表面含氧官能团还原转化的特征规律。以铅为目标污染物,探究了GO表面含氧官能团的还原对其Pb吸附性能的影响,研究GO表面吸附态Pb随ORP变化的释放特征,为GO吸附材料的环境应用和水环境重金属污染物治理提供了有价值的信息。主要研究成果如下:(1)GO在水溶液中具有酸性的特征,在pH为3-7的水环境下可以保持良好的分散性,热重和透射电镜分析表明含氧官能团在GO表面分布不均,粒径大小约为30 nm,约占GO质量的33%。(2)GO对铅的吸附位置与其表面的含氧官能团有关。拟二级吸附动力学和Langmuir吸附等温模型可以较好的拟合GO对铅的吸附过程,表明吸附属于单分子层吸附。GO在电化学法还原为r-GO后,表面含氧官能团含量显著减少,对铅的最大吸附容量从931.66 mg·g-1下降至714.78 mg·g-1。(3)GO-Pb(Ⅱ)溶液中铅离子的浓度会随电位的变化而发生改变,当电位从0mV降至-600 mV时,吸附态的铅离子逐渐从GO表面解吸附,溶液中的铅离子不断增加。而当电位达到-700 mV时,铅离子被还原为单质铅导致溶液中铅离子含量降低。(4)循环伏安法和X射线光电子能谱分析表明,在-120、-400和-760 mV三个还原条件下,GO表面的三种含氧官能团(C-O、C=O和O-C=O)先后被还原,导致吸附态铅的释放及价态的变化。
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