碳纳米管

炭纳米管对净化水溶液中铅镉离子的研究

1 碳纳米管简介

传统的炭素材料主要包括金刚石、石墨、卡宾、炭黑、活性炭和碳纤维等。直到 1985 年发现 C60 后，人们认识到，碳还具有球笼形结构。1991 通过高分辨透射电子显微镜发现了一种新的碳的同素异形体，并称其为“石墨碳微管”，即目前所称的碳纳米管。它可以看作是由石墨碳六元环网状平面卷成筒状时所形成的管状物质。自从碳纳米管这种新型材料被发现后，理论推测和实验结果都证明碳纳米管具有特异性能，具有难以估量的应用潜力和发展前景。它的发现在材料科学领域具有深远的影响，基于其纳米尺度的中空管状结构、特殊的电磁性能、卓越的强度和弹性等特性，近年来在多个相关学科领域，关于碳纳米管的研究方兴未艾。

1.1 碳纳米管的结构和形态

碳纳米管可定义为“将石墨六角网平面（石墨烯片）卷成无缝筒状时形成无缺陷的‘单层’管状物质或将其包裹在内，层层套叠而成的‘多层’管状物质”。碳纳米管完全由表面碳原子组成，它们具有封闭的面状π电子体系。碳纳米管的构型可以根据其管状层的螺旋性，分为非手性型和手性型两种。碳纳米管这些构型的形成是由石墨烯片层卷成圆筒形的方式不同决定的，即源于卷曲方向和角度的不同。由于碳纳米管中由石墨烯片卷曲而成的管状层可以是单层或多层的，于是具有单个管状层的炭纳米管可称为单壁碳纳米管（ SWCNTs），而有多个管状层的炭纳米管又称为多壁碳纳米管（MWCNTs）。

单壁碳纳米管比较细，其直径大多在数纳米左右，多数集中分布在 0.8～2 nm 附近。单壁碳纳米管，由单层圆柱形石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有较高的均匀一致性，更具有规整的一维纳米级孔隙。构成单壁碳纳米管的碳原子都处在表面位置，是同时具有表面和裹面的物质，故应具有较大的比表面积。理论计算表明，碳纳米管的比表面积可在50～1315m2/g的较大范围变化。

多壁碳纳米管中石墨烯层间接近 ABAB……堆垛，层数从2～50 层不等，层间距为（0.34±0.01）nm，与石墨层间距（0.34 nm）相当。多壁碳纳米管直径多在 4 nm 以上，有的相当粗，甚至达到数十纳米。碳纳米管的长度一般为几微米，超长的甚至达数毫米，其长度和直径之比一般都在 1000 以上，实际上可忽略两端的影响，被认为是典型的一维物质。多壁碳纳米管由BET测定的表面积为10～20m2 /g多壁碳纳米管的密度随其结构变化，在1～

2g/cm3之间多壁碳纳米管除了具有一维中空管结构外，还具有大量的堆积孔结构。

1.2碳纳米管的吸附作用

吸附是吸附质与吸附剂表面作用以降低固体表面能量的过程。具有不同表面能的吸附位决定不同的吸附过程。吸附剂中存在的各种活性基团如羟基，梭基等,通过与吸附的金属离子形成离子键或共价键,达到吸附金属离子的目的。它也可通过氢键或络合等方式形成具有类似网状结构笼形分子,对许多金属离子进行鳌合,因此能有效吸附溶液中的金属离子。由于表面和吸附过程密切相关，通过对吸附等温线的解析，可得到吸附剂的表面能分布曲线，从而证明吸附剂表面能量的不均衡性。近年来的研究表明，在碳质吸附剂的纳米级空间中，会发生不同于宏观平面上的一些物理或化学过程。在类石墨微晶无规排列形成的分子尺度的碳纳米空间（尤其是孔宽在以下的微孔），由于相对孔壁碳原子的势能叠加效应，可形成一强大的分子场。吸附在其中的分子相互作用大幅增加，具有与体相分子完全不同的物化性质，具有不同的反应活性，可发生很多在常规条件不能发生或很难发生的化学过程，碳纳米管具有丰富的孔隙结构和大的比表面积，这使得碳纳米管具有良好吸附性能，不同来源碳纳米管的吸附量主要由其管径和开口率所决定，管径越小，开口率越大，比表面积越大，则吸附量越大。此外碳纳米管还具有良好的导电性能吸附性能和导电性能使碳纳米管成为处理水的

基础碳纳米管吸，附金属离子是由于碳纳米管比表面积很大,有很强大的过剩表面能, 而且碳纳米管的Zeta电位是负的, 导致了碳纳米管对水中重金属离子有很强的吸附性。

2实验原理

铅镉离子是水体中一类重要污染物，对人体健康有很大危害。吸附法对重金属污染物的去除效果主要取决于吸附剂的结构和性质。碳纳米管独特的管状孔隙结构对分子有较强的吸附力及其较大的比表面积，作为一种新型的吸附材料有其独有的优势。但是，由于实际制备的碳纳米管管口封闭，极大地影响了其比表面积；同时，碳纳米管之间存在较强的范德华力，加之它巨大的比表面积和很高的长径比，使其容易团聚或缠绕在一起；而且所制备的粗产品中还含有诸如催化剂微粒、无定形碳微粒以及石墨微粒等杂质，这些缺点严重影响了碳纳米管的特性发挥和直接应用价值。为了进一步提高碳纳米管的应用性能，在使用前首先要进行改性处理。

氧化改性可使碳纳米管这种碳质材料的吸附位点增加，化学氧化是最常见的碳纳米管改性方法，即在强氧化性条件下将碳纳米管纯化，使管体表面引入新的含氧官能团，进而改变碳纳米管的物理及化学特性。化学纯化处理过程中，碳纳米管本体由于化学性质稳定而得以保留稳定，杂质则易被氧化而除去，如此便达到提纯目的。碳纳米管经纯化后, 一方面在其表面产生了大量的官能团, 另一方面纯化使碳纳米管表面积增加, 这些均有利于提高其吸附性能。纯化处理中使用较多的氧化剂有双氧水、硝酸、硫酸/硝酸混酸和高锰酸钾等。在纯化处理过程中，碳纳米管管壁上的五元环和七元环缺陷优先被氧化开环，管体也会在这些缺陷存在的位置发生断裂，而六元环则较难被氧化。氧化后的碳纳米管表面增加了如-OH、-C=O、-COOH 等的含氧官能团，使碳纳米管得到初步的化学修饰，且使得其表面具有一定的亲水性；同时强氧化剂将管体进行切割，使碳纳米管变短且端口被打开。

碳纳米管吸附重金属的效果主要受溶液初始pH值、接触时间、重金属离子的初始浓度、吸附剂的量等因素的影响。大多数研究表明，初始溶液初始pH值是影响重金属离子吸附效果的最主要因素，主要是因为溶液中的重金属离子在不同的pH值下离子形态不同。当溶液pH<6时，铅、镉等重金属污染物在溶液中主要以Pb2+，Cd2+形式存在，此时溶液的pH值越低，H+浓度越高，会与重金属离子发生竞争作用，影响重金属离子与碳纳米管上羧基，羟基等的离子交换和络合作用，降低其对重金属离子的吸附量；当pH=6～9时，铅，镉等在溶液中以Pb2+、Pb（OH）+、Pb（OH）2、Cd2+、Cd（OH）+、Cd（OH）2形式存在，此时主要是含氧功能团对Pb2+、Cd2+、Pb（OH）+、Cd（OH）+的吸附作用及Pb（OH）2、Cd（OH）2等的沉淀作用，碳纳米管对重金属离子的吸附量达到最大[17，19]。还有一些重金属汞和锌等，在溶液pH>9时，主要以Hg（OH）3、Hg（OH）42-、Zn（OH）3-、Zn（OH）42-形式存在，此时它们与带负电的含氧功能之间及相互之间的排斥作用会使碳纳米管对重金属的吸附量下降。

3仪器与药品

仪器：

试剂：

4实验步骤

4.1 碳纳米管的纯化。

4.2含铅镉离子溶液的配制

4.3