综述：碳纳米吸附剂去除重金属的机理研究进展

本综述系统评述了碳纳米管(CNTs)和石墨烯衍生物在重金属吸附领域的合成策略、性能优化及实际应用潜力，重点探讨了表面修饰（如氧化、硫化和氨基化）对提升吸附容量（qm可达500 mg/g）的关键作用，为开发低成本、高效率的水处理技术提供理论支撑。

　　

摘要

随着城市化进程加速，重金属污染水体对人类健康和环境构成严峻威胁。传统处理方法如化学沉淀、离子交换等存在成本高、易产生二次污染等问题。基于碳纳米材料（尤其是碳纳米管和石墨烯）的吸附技术因其高比表面积（可达1300 m²/g）和可调控的表面化学性质成为研究热点。本文从合成方法、吸附机制和实际应用三个维度展开分析，揭示π-π共轭作用和化学络合在重金属捕获中的协同效应。

引言

重金属（密度>5 g/cm³）通过采矿、工业排放等途径进入水体，在生物链中富集后引发癌症、发育迟缓等疾病。伊朗马什哈德地区饮用水中铬超标、巴基斯坦拉合尔地下水镍污染等案例凸显治理紧迫性。相较于膜过滤等高端技术，吸附法凭借操作简单、成本低廉（处理成本降低40%）等优势成为低收入地区的优选方案。

碳纳米吸附剂合成

碳纳米管通过化学气相沉积(CVD)法制备后，常采用以下改性策略：

1. 氧化处理：混酸氧化引入羧基(-COOH)，使Pb²⁺吸附容量提升3倍
2. 杂原子掺杂：氮掺杂石墨烯通过形成N─M键特异性结合Cd²⁺
3. 复合材料构建：Fe₃O₄/CNTs复合物兼具磁分离特性与As(V)吸附能力

吸附机制

重金属吸附过程遵循三阶段模型：

• 液膜扩散：受溶液pH值调控（最佳pH 5-6）
• 孔隙填充：介孔（2-50 nm）结构促进Cu²⁺内扩散
• 化学吸附：巯基(-SH)与Hg²⁺形成稳定络合物
  动力学分析表明，准二级模型（R²>0.99）能更好描述吸附过程。

实际应用挑战

尽管实验室阶段取得突破（对Pb²⁺去除率>95%），规模化应用仍面临：

• 再生性能：5次循环后部分材料吸附量下降30%
• 成本控制：功能化CNTs价格高达$200/g
• 生态毒性：纳米颗粒脱落可能引发新的环境风险

结论

通过分子动力学模拟指导的材料设计，以及低能耗再生技术（如电化学脱附）的开发，碳纳米吸附剂有望在未来5-10年内实现工业化应用。当前研究需重点关注低成本规模化制备工艺和长期环境安全性评估。