复合污染条件下重金属与有机污染物在石墨烯纳米材料上的交互吸附/解吸机制研究

Recently, the sorption-desorption of heavy metals or organic contaminants on graphene-based materials has been studied separately. However, sorption mechanisms and sorbed species of contaminants on graphene-based materials are unclear and lack of spectroscopic evidences. Furthermore, in natural environment, heavy metals and organic contaminants may coexist. Knowledge of single-solute system does not represent the real environmental system where multi-pollutants coexist. To date, little information is available regarding the effect of heavy metals on the sorption of organic contaminants onto graphene-based materials and vice versa. In this study, we study the effect of heavy metals on the sorption/desorption of organic contaminants on different graphene-based materials and vise versa using batch experiments, Fourier transform infrared spectroscopic (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray diffraction spectroscopic (XRD), atomic force microscopy (AFM), transmission electroscopy microscopy (TEM) or X-ray absorption spectroscopic (XAS) technologies, etc. We hope to reveal the mutual sorption/desorption mechanisms of heavy metals and organic contaminants on graphene-based materials at molecular environmental science level.

近来，人们分别研究了石墨烯纳米材料对重金属和有机污染物在单一体系中的吸附/解吸行为。但是，吸附机理还不清楚且缺乏光谱证据。并且单一体系不能充分反映环境中广泛存在的多种污染物共存的复杂体系。迄今为止，对多种污染物在石墨烯纳米材料上的交互吸附/解吸行为甚少研究。本项目研究重金属与具有不同吸附机理的有机污染物在不同性质石墨烯纳米材料上的交互吸附/解吸作用，并应用多种光谱与波谱手段如红外（FTIR）、核磁（NMR）、X-射线粉末衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）、X-射线吸收光谱（XAS）等表征石墨烯纳米材料的性质，揭示反应位点，在分子水平上阐明重金属和有机污染物交互吸附/解吸的机理，推动分子环境科学的进步。

分别从几种重金属和有机污染物的角度探讨了它们在石墨烯纳米材料上的吸附动力学、热力学及其微观吸附机制。探讨了腐殖酸的存在对重金属离子吸附行为的影响。研究了金属离子和石墨烯共存条件下对有机污染物转化及降解行为的影响。具体内容如下：1.发现氧化石墨烯是迄今为止吸附Cr3+最好的材料之一。吸附是一个自发的、吸热过程。重金属离子（如Cu，Cr等）主要通过与石墨烯纳米材料上的含氧基团键合进行吸附的。腐殖酸的存在增加了Cu在石墨烯上的吸附，却对Cu在氧化石墨烯上的吸附没有什么影响；2.与重金属离子的吸附相反，有机污染物特别是带有芳香结构的有机污染物在石墨烯的表面具有很大的吸附容量。吸附是一个自发的、放热过程。除疏水性作用外，π-π作用是芳香污染物进行吸附的主要驱动力。而对于含有极性基团的有机污染物来讲，它们主要通过极性作用吸附于氧化石墨烯的表面；3.发现极化能力强的Ag+可以增加2,4,6-三氯酚在草木灰上的吸附，但是Zn和Al却减小了2,4,6-三氯酚的吸附容量。除此之外，还发现变价金属Fe3+和2-萘酚共存时，在石墨烯的催化下，Fe3+可以氧化偶联2-萘酚成1,1’-联萘酚。这主要是因为2-萘酚可以借助石墨烯传递电子给Fe3+生成Fe2+和2-萘酚自由基。其中2-萘酚自由基两两偶合生成1,1’-联萘酚。