二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機制及應用研究

摘要：探討二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機制及其應用潛力。采用液相剝離法制備石墨烯、MoS2和WS2二維納米材料，并構建模擬重金屬廢水體系，研究3種材料對Pb2+、Cd2+、Hg2+等重金屬離子的吸附行為。采用Langmuir和Freundlich等溫線模型及準二級動力學模型進行數據擬合，結合傅立葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）和X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）表征分析吸附機制。結果表明，二維納米材料表現出高效吸附能力，在pH值較小時對重金屬離子的選擇性吸附效果更顯著。

關鍵詞：二維納米材料；重金屬廢水；吸附機制

中圖分類號：TB383.1；X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-0-03

Study on Adsorption Mechanism and Application of Two-Dimensional Nanomaterials in Heavy Metal Wastewater Removal

Abstract： This study explores the adsorption mechanism and application potential of two-dimensional nanomaterials in the removal of heavy metal wastewater. Two-dimensional nanomaterials such as graphene， MoS2 and WS2 were prepared by liquid phase stripping and a simulated heavy metal wastewater system was constructed to study the adsorption behaviour of three materials on Pb2+， Cd2+and Hg2+ heavy metal ions. Langmuir and Freundlich isotherm models and quasi-second-order kinetic models were used for data fitting， and the adsorption mechanism was analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy （FTIR） and X-ray Photoelectron Spectroscopy （XPS） characterization. The results show that the two-dimensional nanomaterials exhibit high adsorption capacity， and the selective adsorption effect of heavy metal ions is more significant at low pH.

Keywords： two-dimensional nanomaterial; heavy metal wastewater; adsorption mechanism

近年來，重金屬廢水的排放已成為全球性環境問題，重金屬離子具有生物累積性和持久毒性，對生態系統和人體健康造成嚴重威脅[1]。化學沉淀、離子交換等傳統的重金屬廢水處理方法存在操作復雜、成本高、處理效果不穩定等問題[2]。二維納米材料因其高比表面積、豐富的表面官能團和優異的化學穩定性，在重金屬廢水吸附處理中的應用潛力巨大[3]。石墨烯、過渡金屬硫化物等二維材料在吸附重金屬離子時表現出較強的吸附容量和優異的選擇性，然而其吸附機制和動力學特性仍有待深入研究[4]。本研究探討3種不同的二維納米材料在重金屬廢水去除中的吸附機制，為提高廢水處理效率提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 二維納米材料的制備

1.1.1 制備方法

二維納米材料利用液相剝離法制備，采用N-甲基吡咯烷酮或異丙醇作為溶劑，利用超聲波將塊體材料剝離為單層或少層納米片。關鍵參數為超聲時間、功率和溫度，影響材料的層數和比表面積。

1.1.2 材料與設備

所需原材料包括高純度的MoS2、WS2或石墨烯粉體，溶劑選用N-甲基-2-吡咯烷酮或異丙醇。超聲波清洗器用于剝離材料，高速離心機用于分離未剝離物。透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡用于表征材料的層數和表面形貌，比表面積分析儀用于測定比表面積與孔徑分布，X射線衍射儀用于表征晶體結構，紅外光譜儀用于分析材料表面官能團。

1.2 構建重金屬廢水模擬體系

構建重金屬廢水模擬體系需嚴格控制重金屬離子濃度、pH值、溫度和離子強度，以準確評估二維納米材料的吸附性能。重金屬離子Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+可采用溶解高純度金屬鹽制備，濃度梯度設置為10～1 000 mg/L，pH值設定為3～7，利用HCl或NaOH調節并實時監測，如表1所示。

1.3 吸附試驗

試驗設置5種重金屬離子濃度梯度，分別為10、50、100、500、1 000 mg/L，借助電感耦合等離子體質譜（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）或原子吸收光譜（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）實時監測溶液中重金屬離子濃度的變化，以計算單位質量二維納米材料對重金屬離子的吸附量。每組試驗反應結束后，經離心分離出吸附劑，取上清液測定殘余重金屬離子濃度。吸附量的計算公式為

式中：q為吸附量；C1為初始濃度；C2為平衡濃度；V為溶液體積；m為吸附劑質量。研究二維納米材料在pH值為3～7時的吸附行為，采用鹽酸和氫氧化鈉調節pH值。試驗在3種溫度條件下（25 ℃、35 ℃、45 ℃）進行，探究吸附的熱力學特性。為評估二維納米材料在多重金屬離子共存體系中的選擇性吸附行為，構建Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cu2+這4種離子混合溶液，并采用ICP-MS檢測不同離子的競爭性吸附量，分析二維納米材料對各重金屬離子的選擇性吸附性能。

1.4 數據分析

數據分析采用吸附等溫模型和動力學模型擬合，解析二維納米材料對重金屬離子的吸附機制。等溫模型用于評估吸附容量與平衡濃度的關系，動力學模型用于揭示吸附速率與時間的相關性。利用熱力學參數分析吸附過程的焓變、熵變及吉布斯自由能，判斷吸附的自發性。

2 結果與討論

2.1 性能分析

化學吸附增強了重金屬離子去除效果，當pH值較小時，吸附量顯著提升。二維納米材料的性能測試結果如表2所示。對比不同材料的吸附性能發現，石墨烯由于具有較大的比表面積和豐富的表面官能團，吸附能力顯著高于MoS2和WS2。傅立葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）和X射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）的表征結果顯示，羥基、羧基等表面官能團在吸附過程中與重金屬離子形成強烈的化學鍵合作用。

2.2 吸附溫線模型與動力學模型擬合

二維納米材料的吸附行為符合Langmuir等溫線模型和Freundlich等溫線模型，吸附過程為單分子層吸附和多層吸附。Langmuir模型與Freundlich模型的擬合參數如表3所示。動力學分析顯示，吸附為化學吸附，吸附量隨溫度升高而增加，屬吸熱反應。動力學模型的擬合參數如表4所示。相較于二維納米材料，傳統吸附材料在重金屬廢水去除中的吸附容量較低。劉濤[5]通過研究發現，活性炭對Cd2+的吸附容量為66.7 mg/g，生物炭對Cd2+的吸附量為52.9 mg/g。在本研究中，石墨烯、MoS2和WS2等二維納米材料的吸附容量分別為250.346、180.114、170.461 mg/g，表現出顯著的吸附優勢。這種顯著提升得益于二維納米材料的高比表面積和豐富的表面官能團，有利于增強與重金屬離子的化學吸附和離子交換作用。二維納米材料的吸附行為符合Langmuir吸附模型，表明其吸附過程主要為單分子層吸附，并且具有較高的飽和吸附容量。準二級動力學模型擬合顯示，二維納米材料的吸附速率主要受化學吸附控制。

2.3 表面吸附分析

二維納米材料在吸附重金屬離子后，表面羥基、羧基和硫氫基的化學吸附顯著增強。吸附前后的FTIR分析結果如表5所示，吸附前后的XPS分析結果如表6所示。吸附熱力學分析表明，二維納米材料對重金屬離子的吸附為吸熱反應，這與重金屬離子在納米材料表面發生的物理擴散及化學吸附密切相關[6]。在多重重金屬離子共存體系中，競爭性吸附試驗結果顯示Pb2+的選擇性系數為1.951，遠高于Cd2+和Hg2+。

3 結論

二維納米材料具有良好的吸附性能，將其作為吸附劑用于處理各類廢水已成為當前研究的重點。研究表明，二維納米材料在重金屬廢水去除中具備卓越的吸附能力。吸附溫線與動力學模型擬合結果表明，二維納米材料的吸附過程以化學吸附為主，且FTIR和XPS表征驗證了吸附機制主要為材料表面活性基團與重金屬離子的相互作用。二維納米材料在重金屬廢水處理領域展現出廣闊的應用前景，其高比表面積和豐富的表面官能團能夠顯著提升吸附效果。

參考文獻

1 曾 虹.改性聚苯乙烯樹脂對重金屬廢水的吸附效能研究[J].綠色科技，2024（12）：78-81.

2 李 敏.兩種鋁污泥輕質填料耦合人工濕地微生物燃料電池處理重金屬廢水效能研究[D].西安：西安理工大學，2024.

3 郭 彬，蘇宏建.基于微納米氣泡修復技術的地下水重金屬污染實驗[J].黑龍江科學，2024（8）：18-20.

4 陳嘉超，陳志輝，朱雅嫻，等.零價鐵材料去除廢水中重金屬的研究進展[J].供水技術，2024（2）：26-33.

5 劉 濤.二維氮化硼納米材料的制備及其去除水中重金屬離子的機理研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019.

6 王 榮.重金屬作用下菌藻共生系統污水處理效能變化及響應機制研究[D].西安：西安建筑科技大學，2023.