基于树枝状聚合物修饰碳纳米管的高效吸附剂用于水体中重金属离子(Pb2+/Cd2+)的去除与回收研究

本研究针对水体中痕量重金属离子高效去除的难题，开发了一种通过深共晶溶剂(DES)催化Diels–Alder反应在碳纳米管(CNTs)表面生长聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状聚合物的新型功能化材料。研究结果表明，高代树枝化CNTs(CNTs-G5)对Pb2+和Cd2+的吸附容量分别达80.71 mg/g和66.80 mg/g，吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型，且材料可循环使用5次仍保持80%以上吸附效率。该研究为绿色合成高性能吸附材料提供了新策略，对水污染治理具有重要意义。

　　

随着工业化的快速发展，水体重金属污染已成为全球性环境问题。铅(Pb²⁺)和镉(Cd²⁺)等重金属离子通过采矿、电镀、电池制造等工业活动进入水环境，因其不可降解性和生物累积性，对生态系统和人类健康构成严重威胁。尽管现有技术如膜过滤、絮凝、离子交换等可用于重金属去除，但吸附法因其高效、成本低、操作简便等优势被认为是最有前景的处理方式。然而，传统吸附材料存在吸附容量有限、再生性能差、制备过程使用有害化学品等问题，亟需开发新型绿色高效的吸附材料。

碳纳米管(CNTs)因其高比表面积和优异机械性能被视为理想吸附基质，但原始CNTs在水中的分散性差且缺乏特异性官能团，限制了其实际应用。树枝状聚合物（Dendrimers）作为一种高度支化的高分子，可通过精确控制表面官能团数量与类型成为理想修饰材料。然而，传统CNTs功能化方法通常涉及强酸氧化或有机溶剂，不仅破坏CNTs结构，还会造成环境污染。

在此背景下，胡志明市工业大学化学工程学院的Thao Quynh Ngan Tran等研究人员在《Beilstein Journal of Nanotechnology》发表研究，创新性地采用深共晶溶剂(DES)催化Diels–Alder反应，在CNTs表面逐步构建聚酰胺-胺(PAMAM)树枝状聚合物，成功制备出系列 dendrimer-modified CNTs 吸附材料，并系统评估了其对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附性能与机制。

研究主要采用以下关键技术方法：通过深共晶溶剂（胆碱氯化物/氯化锌）催化马来酸(MA)与CNTs的Diels–Alder反应实现预功能化；通过乙二胺(EDA)和MA的交替反应逐步生长PAMAM树枝状聚合物（代数为G0-G5）；利用拉曼光谱、FTIR、XRD、TGA、SEM/EDX等表征手段分析材料结构与组成；通过原子吸收光谱测定重金属离子吸附容量，并采用动力学模型和等温模型拟合吸附过程。

Results and Discussion

材料表征证实成功功能化

拉曼光谱显示CNTs-MA的I_D/I_G值从0.89升至1.11，证实sp²碳向sp³碳转化。FTIR谱图中1745 cm^?1处羧基峰和3340 cm^?1处胺基峰的出现验证了官能团引入。XRD表明功能化未改变CNTs晶体结构。TGA分析显示随着树枝化程度增加（CNTs-G1至CNTs-G5），材料残重从77.28%降至61.57%，证明有机组分成功接枝。SEM显示树枝化CNTs保持管状结构但聚集度增加，EDX元素分析发现氮原子百分比从G1的5.37%增至G5的12.29%，证实聚合物链增长。

吸附性能与优化

CNTs-G5表现出最优吸附性能，对Pb²⁺和Cd²⁺的去除率分别达81.9%和74.3%。吸附条件优化表明：最佳吸附剂用量为20 mg，pH=7时吸附效率最高（酸性条件下H⁺竞争吸附位点，碱性条件下金属氢氧化物沉淀），平衡时间为120分钟。吸附容量随树枝化代数的增加而显著提升，证明多分支结构提供了更多结合位点。

吸附机制研究

动力学拟合表明伪二级模型（R²>0.99）优于伪一级模型，说明吸附过程以化学作用为主导。等温线分析符合Langmuir模型（R²>0.998），表明为单分子层吸附。最大吸附容量q_max为Pb²⁺ 80.71 mg/g、Cd²⁺ 66.80 mg/g，高于多数报道材料。热力学参数显示ΔG为负值、ΔH为正值（Pb²⁺ 28.45 kJ/mol、Cd²⁺ 24.81 kJ/mol），证实吸附为自发的吸热过程，且ΔH值暗示以物理吸附为主（可能伴随弱配位作用）。

材料可再生性

CNTs-G5经5次吸附-解吸循环后，对Pb²⁺和Cd²⁺的去除率仍保持在81.9%和74.3%，表明材料具有优异的再生能力。

Conclusion

该研究通过环境友好的DES催化策略成功构建了树枝状聚合物修饰的CNTs材料，实现了对水体中Pb²⁺和Cd²⁺的高效吸附与回收。研究不仅避免了传统方法中有害化学品的使用，还通过调控树枝化程度优化了吸附性能。材料优异的再生性能与高吸附容量为其实际应用提供了坚实基础。该工作为绿色功能纳米材料的开发提供了新思路，对水处理技术的可持续发展具有重要意义。