氨基功能化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2 )对Pb(II)的高效吸附机制及环境应用研究

针对重金属Pb(II)污染治理难题，浙江大学团队通过3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)修饰羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)，成功制备出氨基功能化MWCNTs-NH2 。研究表明该材料在pH=5条件下对Pb(II)的去除率达92.80%，吸附过程符合准二级动力学和Langmuir模型，揭示了以络合吸附为主的自发放热机制，为纳米吸附材料在水处理领域的应用提供了新思路。

　　

随着工业快速发展，重金属污染已成为全球性环境挑战，其中铅(Pb(II))因其持久性和生物累积性备受关注。传统吸附材料如活性炭存在再生困难、选择性差等问题，而纳米材料因其高比表面积和可修饰性展现出独特优势。多壁碳纳米管(MWCNTs)虽具有优异吸附潜力，但易团聚的特性限制了其应用。如何通过表面功能化提升MWCNTs的分散性和吸附性能，成为环境治理领域的关键科学问题。

浙江大学研究人员在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，通过3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)对羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)进行修饰，制备出氨基功能化MWCNTs-NH₂
。研究采用扫描电子显微镜(SEM)观察形貌变化，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)验证官能团修饰，结合低温氮吸附和酸碱滴定分析比表面积及羧基含量，系统考察了pH、吸附剂量、温度等参数对Pb(II)吸附的影响。

材料表征揭示结构优势
SEM显示MWCNTs-NH₂
较原始材料直径更均匀（26-27 nm），分散性显著改善。FT-IR在3440 cm^-1
处出现增强的-NH₂
伸缩振动峰，XPS证实C-N键（285.0 eV）和N-H键（400.9 eV）的形成。比表面积从198.06增至205.64 m²
/g，微孔体积提升53倍，为Pb(II)提供了丰富吸附位点。

优化吸附条件
在pH=5时达到最佳吸附效果（46.880 mg/g），避免碱性条件下Pb(OH)₂
沉淀干扰。吸附剂用量1.0 g/L时去除率达95.67%，竞争离子实验显示选择性系数K_s
(Pb/Na)高达103.5，表明对Pb(II)的特异性识别能力。

动力学与热力学机制
准二级动力学模型(R²
=0.999)和颗粒内扩散模型三阶段特征表明，吸附过程受化学作用主导。Langmuir模型拟合最大吸附量143.773 mg/g，ΔG⁰
为-6.144 kJ/mol证实自发过程，ΔH⁰
=24-27 kJ/mol提示存在物理-化学协同吸附。

再生与机理探讨
5次循环后吸附量保持初始值的82%，XPS显示Pb4f_7/2
(138.4 eV)和Pb4f_5/2
(143.3 eV)双峰证实离子交换与络合共存。FT-IR中-NH₂
峰强度降低，结合酸碱滴定数据，确立氨基络合为主（占比76%）、硅羟基离子交换为辅的吸附机制。

该研究通过精准的表面工程设计，解决了碳纳米管易团聚和吸附选择性差的难题。MWCNTs-NH₂
较传统活性炭减少30%用量，在保持92.8%去除率的同时降低处置成本，为重金属废水处理提供了可规模化应用的纳米材料解决方案。未来研究将聚焦Zeta电位调控和极端环境下的稳定性测试，进一步推动材料在实际复杂水体中的应用。