重金屬離子污染日益嚴(yán)重，石墨烯作為一種新型碳材料在吸附重金屬離子方面具有巨大潛力。本文通過嘗試，探索出基于酯化反應(yīng)將功能團(tuán)乙二胺四乙酸(EDTA)連接到氧化石墨烯(GO)表面合成功能化氧化石墨烯(EDTA-GO)的新方法。研究結(jié)果顯示：EDTA-GO 飽和吸附量高達(dá)(355±17)mg/g，較改性之前提高了17.5%，并且符合Langmuir 單層吸附模型。隨著pH 值的升高，EDTA-GO 的吸附性能越來越強(qiáng)。吸附平衡時(shí)間在4 分鐘以內(nèi)。通過將Pb2+ 與Cd2+ 和Cu2+ 相比較，發(fā)現(xiàn)在pH=4.6 的條件下Pb2+ 的飽和吸附量遠(yuǎn)大于后兩者，表現(xiàn)出良好的選擇性吸附特點(diǎn)。

　　重金屬一般是指密度在4 以上的60 余種元素或密度在5 以上的45 種金屬元素，但是由于不同重金屬在水和土壤中的毒性相差甚遠(yuǎn)，所以在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域人們通常關(guān)注釩、鉻、鈷、鎳、銅、鋅、鎘、錫、汞、鉛等金屬離子。重金屬大多以單質(zhì)或化合物形式普遍存在于自然界中，不會對生態(tài)和人類構(gòu)成太大威脅。但是近些年來由于人類對金屬礦物的過度開采和冶煉，以及化工、電子、儀表、機(jī)械制造等工業(yè)生產(chǎn)過程，產(chǎn)生了大量含重金屬離子(鎘、鉻、銅、汞、鎳等)的廢水，這些都是水和土壤的主要污染源。重金屬離子會在人體內(nèi)聚集從而導(dǎo)致中毒、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)的損壞。吸附法在治理廢水中重金屬離子方面有不產(chǎn)生二次污染，反應(yīng)效率高，效果顯著且設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此一直都受到學(xué)者和研究人員的廣泛關(guān)注，越來越多的人認(rèn)識到我們需要尋找到成本更低、效率更高、制備更容易、重復(fù)使用性更好的吸附劑，石墨烯就是其中之一。

　　石墨烯是一種由碳原子以sp2 雜化軌道組成呈蜂窩狀正六邊形晶格的二維平面結(jié)構(gòu)的材料，其厚度僅為一個(gè)或幾個(gè)碳原子層的厚度。石墨烯是一種理想的無孔吸附劑，吸附作用主要發(fā)生在其表面，由于石墨稀粉末隨機(jī)的團(tuán)聚給重金屬離子提供了一個(gè)開放通道，吸附很快可以達(dá)到平衡狀態(tài)。由于其特殊的完美結(jié)構(gòu)，石墨烯擁有較大的比表面積，同時(shí)具有吸附容量大，吸附迅速，易于回收和二次使用等特點(diǎn)，所以可以被用作新型吸附材料。大量專家學(xué)者展開了對石墨稀和氧化石墨稀吸附性能的研究，無論從實(shí)驗(yàn)探索還是理論計(jì)算都證實(shí)了以石墨烯為基礎(chǔ)的材料具有很高的吸附能力。Yang 等人研究表明氧化石墨烯對Cu2+ 的吸附能力比活性炭高十倍。Deng 等用六氟磷酸鉀作為電解液電解的方法使石墨烯官能化，即在石墨烯中引入官能團(tuán)，從而提高石墨烯的吸附性能，實(shí)驗(yàn)證明他們所制備的GNSPP6 材料對于Pb2+ 和Cd2+ 有較好吸附效果，其吸附容量分別達(dá)到406.6 mgg^-1 和73.42 mgg^-1。

　　石墨烯氧化物表面含有大量的含氧基團(tuán)，這些基團(tuán)使其表面帶負(fù)電荷，電荷之間的靜電斥力可以使其穩(wěn)定地分散在水相體系中。石墨烯氧化物被還原成石墨烯后，由于石墨烯結(jié)構(gòu)完整，化學(xué)穩(wěn)定性高，其表面呈惰性狀態(tài)，與其它介質(zhì)(如溶劑等)的相互作用較弱，并且石墨烯片與片之間有較強(qiáng)的范德華力，容易產(chǎn)生聚集，使其在水及常見的有機(jī)溶劑中難于分散，這給石墨烯的進(jìn)一步研究和應(yīng)用造成了極大的困難。因此，對其進(jìn)行有效地修飾和功能化提高其分散性尤為重要。所謂功能化就是利用石墨烯在制備過程中表面產(chǎn)生的缺陷和基團(tuán)通過共價(jià)、非共價(jià)或摻雜等方法，使石墨烯表面的某些性質(zhì)發(fā)生改變，更易于研究和應(yīng)用。由于石墨烯和CNTs 具有類似的結(jié)構(gòu)，而且表面都含有羧基、羥基等含氧基團(tuán)，因此對CNTs 表面功能化的方法一般也適合于石墨烯表面的功能化。

　　石墨烯摻雜是實(shí)現(xiàn)石墨烯功能化的重要途徑之一，是調(diào)控石墨烯電學(xué)與光學(xué)性能的一種有效手段，摻雜后的石墨烯因其具有巨大的應(yīng)用前景已經(jīng)成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

1、實(shí)驗(yàn)過程

1.1、EDTA-GO 合成步驟

　　將氧化石墨烯(GO)100 mg、EDTA200 mg 和對甲基苯磺酸40 mg 溶解于50 ml N-N 二甲基甲酰胺(DMF)中，150℃油浴回流攪拌加熱，冷卻至室溫，離心，用四氫呋喃(THF)洗滌，再烘干。

1.2、EDTA-GO 和GO 的Pb2+飽和吸附量測試

　　用1000 mg/L 的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制100mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250mg/L、300 mg/L、350mg/L、400 mg/L、450 mg/L 和500 mg/L 的鉛溶液各100 ml 兩份，將EDTA-GO 和GO 置于上述溶液中，密封保存36 h。用濾頭吸取上清液，稀釋100倍后待測。

1.3、pH 值對EDTA-GO 飽和吸附量影響測試

　　用1000 mg/L 的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液配制100mg/L 的鉛溶液100 ml 五份，將EDTA-GO 置于上述溶液中，密封保存36 h。用濾頭吸取上清液，稀釋100倍后待測。

1.4、EDTA-GO 吸附平衡時(shí)間測試

　　用1000 mg/L 的鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液配制100 mg/L 的鉛溶液200 ml，將EDTA-GO 置于上述溶液中，在吸附2 min、4 min、8 min、15 min、30 min、60 min和120 min 時(shí)，用濾頭吸取上清液，稀釋100 倍后待測。

1.5、EDTA-GO 對于Pb2+離子的選擇性吸附測試

　　用1000 mg/L 的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 和500 mg/L 的銅溶液各100 ml。用1000 mg/L 的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L、400 mg/L 和500 mg/L 的鎘溶液各100 ml。將備用的EDTA-GO置于上述溶液中，密封保存36 h。用濾頭吸取上清液，吸附后的銅溶液稀釋100 倍，鎘溶液稀釋250倍待測。

2、結(jié)論

　　本文采取酯化法合成了EDTA-GO，開辟了一種利用氧化石墨烯上的羥基進(jìn)行改性的新方法。并對合成的新材料進(jìn)行了吸附性能研究，得出了如下結(jié)論：

　　(1)采用酯化法合成了新型石墨烯材料EDTA-GO。反應(yīng)物氧化石墨烯、EDTA、對甲基苯磺酸配比為2.5:5:1，水浴回流加熱，洗滌，烘干，真空密封保存。

　　(2)在pH 值為4.6，室溫條件下，改性之前的GO 對Pb2+ 最大飽和吸附量為302±15 mg/g，改性之后的EDTA-GO 為355±17 mg/g，飽和吸附量實(shí)際提高了17.5%，證明改性成功。

　　(3)EDTA-GO 對重金屬離子的吸附符合Langmuir單層吸附模型，平衡吸附時(shí)間小于4 min，并且隨著pH 值的增加，EDTA-GO 的吸附性能大大提高。

　　(4)在相同條件下，EDTA-GO 對三種重金屬離子的最大飽和吸附量為：鉛離子(355±17)mg/g、銅離子(161±8)mg/g、鎘離子(129±6)mg/g。鉛離子的最大飽和吸附量約為銅的兩倍，或者說鎘的三倍，這說明EDTA-GO 對于鉛離子具有較好的選擇吸附性。