氧化石墨烯及其復合材料在核素去除中的應用

李源槿+衛(wèi)婷+代婷+郭飛+鄧雷

[摘 要]氧化石墨烯具有獨特的物理化學性質(zhì)，在吸附分離領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文重點總結(jié)和評價了近年來氧化石墨烯及其復合材料應用于核素去除的研究進展，并對它們在放射性核素去除中的應用前景做了展望。

[關(guān)鍵詞]氧化石墨烯，復合材料，核素，吸附

中圖分類號：TQ 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）04-0387-01

1.引言

石墨烯（Graphene）是一種由sp2雜化的碳原子以正六邊形排列形成的二維碳材料，具有獨特的物理化學性質(zhì)，迅速成為了全球的研究熱點[1]。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）作為石墨烯的一種衍生物，具有高的比表面積、良好的熱和化學穩(wěn)定性。GO表面含有大量親水性的含氧基團，如羥基、羧基等，使其具有良好的親水性，同時便于對其進行功能化修飾[2]。這些含氧基團還能與金屬離子，特別是多價金屬離子發(fā)生絡合作用，用于去除水中的金屬離子，具有較強的吸附能力。此外，通過對GO進行功能化改性，可提高其吸附性能[2]。

2.氧化石墨烯作為吸附劑的研究

目前，基于GO及其復合物的吸附劑已廣泛用于放射性核素的分離富集與去除研究。鈾是最常見的核素， GO可直接作為吸附劑吸附U（VI），具有較強的吸附能力。多層和單層GO對鈾的吸附容量可達97.5和299 mg g-1，進一步的研究表明吸附受溶液pH影響，與離子強度無關(guān)，表明該吸附過程主要通過內(nèi)層表面配位作用進行，GO表面的含氧基團在吸附過程中起主要作用[3]。此外，GO還可用于其他核素如Th（IV）、Sr（II）以及Eu（III）等的吸附，對這些金屬離子的吸附能力有所不同，如GO能在U（VI）存在下選擇性吸附Th（IV），在pH 3.8時Th（IV）/U（VI）的分離系數(shù)可達36.3，研究表明U（VI）吸附到GO上導致片層之間距離減小，降低了GO的吸附能力，這些結(jié)果表明GO可用于鈾釷分離。

3.氧化石墨烯復合材料作為吸附劑的研究

GO直接作為吸附劑也存在一些問題和不足。一方面，GO具有良好的親水性，難以從料液中分離。同時GO在水溶液中存在聚集現(xiàn)象，導致其吸附性能降低[4]。另一方面，GO本身的吸附性能如吸附容量和選擇性有限。通過對GO進行復合或功能化有望解決上述問題，成為近幾年的一個重要研究方向。如將GO與磁納米顆粒復合制備超順磁性GO可實現(xiàn)吸附劑的磁分離，提高其分離性能。而將GO固定到纖維狀海泡石上則可顯著減少GO的聚集，提高其吸附性能。此外，在GO表面生長結(jié)晶MnO2制備MnO2/GO復合物吸附劑，可有效減少GO的聚集以及片層間的堆疊，提高其吸附容量，該復合物對Th（IV）與U（VI）的吸附容量分別為 497.5 mg·g-1和 185.2 mg·g-1。

對GO進行化學改性，在其表面引入具有強吸附能力的聚合物或有機功能配體，可顯著減少其聚集以及片層間的堆疊，提高其吸附性能。目前已有多篇論文報道了用于核素去除的GO基吸附劑。王祥科課題組采用原位聚合法合成了環(huán)糊精修飾的GO（CD/GO），用于同時除去U（VI）和腐植酸[5]，兩者的吸附行為受料液pH值和離子強度的影響，腐植酸在低pH值時促進鈾吸附，高pH值時降低鈾吸附。聚多巴胺（PD）含有大量的兒茶酚和胺基，可用于金屬離子的吸附。但是，PD易發(fā)生聚集，限制了其吸附應用。通過多巴胺單體在GO表面的自聚合制備聚多巴胺氧化石墨烯復合物（PD/GO），可有效減少PD的聚集，提高其吸附容量。此外，聚苯胺氧化石墨烯復合物（PANI/GO）也被用于放射性核素的吸附研究，其對U（VI）、Eu（III）、Sr（II）和Cs（I）都具有良好的吸附性能。其中，對 U（VI）具有極強的吸附能力，最大吸附容量可達1960 mg·g-1（pH 5.0）。

4.結(jié)語

目前，氧化石墨烯及其復合材料在放射性核素的吸附研究中發(fā)展迅速。然而該研究領(lǐng)域仍有很多亟需解決的問題，如GO基吸附劑的批量合成以及分子水平結(jié)構(gòu)的研究等。相信隨著研究的不斷深入，氧化石墨烯及其復合物吸附劑會有更加廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 肖藍，王祎龍，于水利，唐玉霖.石墨烯及其復合材料在水處理中的應用[J].化學進展，2013，25：419-430.

[2] 韓強，王宗花，張曉瓊，丁明玉.石墨烯及其復合材料在樣品前處理中的應用[J].化學進展，2014，26：820-833.

[3] Romanchuk A. Yu.， Slesarev A. S.， Kalmykov S. N.， Kosynkin Dmitry V.， Tour J. M.， Graphene oxide for effective radionuclide removal. Phys. Chem. Chem. Phys.， 2013，15： 2321-2327.

[4] Sun Y.， Shao D.， Chen C.， Yang S.， Wang X. Highly Efficient Enrichment of Radionuclides on Graphene Oxide-Supported Polyaniline. Environ. Sci. Technol. 2013， 47：9904？9910.

[5] Song W.， Shao D.， Lu S.， Wang X. Simultaneous removal of uranium and humic acid by cyclodextrin modified graphene oxide nanosheets. Sci China Chem， 2014， 57： 1291-1299.