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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

近年来，随着经济和工业的快速发展，与之相对的环境问题也变的日益严重，尤其是重金属污染引起了人们的广泛关注。重金属难以分解，且易在生物体内富集，对生物体及人类具有很大的危害，因此，选择合适的方法有效处理重金属废水，对生态环境的保护及人类健康的保障具有重要的实际意义。为了减少重金属污染对环境的危害，国内外对重金属废水的处理已有大量的研究，目前处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、电化学法和吸附法等。化学沉淀法是利用化学反应将废水中呈溶解状态的重金属离子转化为沉淀析出，但此方法极易造成二次污染，特别是采用硫化物做沉淀剂时。离子交换法广泛应用于重金属废水处理，它是利用离子交换剂自身所带的能自由移动的离子与被处理的溶液中的离子通过离子交换来实现分离废水中有害物质的方法，推动离子交换的动力是离子间浓度差和交换剂上的功能基对离子的亲和能力。常用的离子交换剂有离子交换树脂，树脂上含有丰富的羟基、羧基及氨基等基团，这些基团与重金属离子能形成螯合物，从而实现重金属的脱离，离子交换法对重金属具有一定的选择性，利于重金属的吸收，但是会产生大量的再生废液，周期较长，含盐量大且普遍适应性差。电化学法由于其独特的优势，如环境友好性、多功能性以及安全性在处理重金属污染上受到了广泛的应用。吸附法主要是利用固体表面的分子或者原子因受力不均衡而具有剩余的表面能，当某些物质碰撞到固体表面时，受到这些不均衡力的吸引而停留在固体表面。常用的吸附剂种类主要有活性炭、多壁碳纳米管、无机材料、树脂等。它们具有比表面积大、多孔结构、来源丰富、成本低以及环境友好等特点，这也使得吸附法相比较其他传统的处理方法具有高效、节能、可循环利用、环保等优点。

作为吸附材料的碳材料以其独特优势在水处理中得到很好的应用。，碳元素的最大特点之一就是存在着众多同素异形体，它是迄今人类发现的唯一一种可以从零维到三维都稳定存在的物质，从宏观领域来说，碳的同素异形体有三种形式：石墨、金刚石和无定形碳。碳材料是目前研究和应用很广泛的材料，其中零维的富勒烯（c60）、一维的碳纳米管、二维的石墨烯引起了国内外学者浓厚的兴趣。

石墨烯呈现独特结构的二维片层结构，其由具有一个原子厚度的sp²杂化的碳原子组成。从化学结构来说，富勒烯、碳纳米管和石墨烯这几种碳的同素异形体，都是由sp2杂化碳原子组成，然而，在石墨烯的出现之前，没有任何一种材料能够像石墨烯一样，同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、媲美ito的透光性、超高的机械强度和热导。其中，石墨烯在污水处理中的应用是最有可能实现产业化的石墨烯技术之一。主要原因有：一、石墨烯具备巨大比表面积，其对污染物的有效吸附表面相比较碳纳米管的甚至还要高，这是由于污染物在扩散的过程很难扩散进入碳纳米管的内表面；二、相比起传统的吸附剂，石墨烯吸附材料对污染物的吸附有着更快速的吸附动力学；三、孔状结构的石墨烯吸附材料可以更有利于污染物的扩散，进而更好的促进吸附过程的发生；四、石墨烯材料可以同时处理多种污染物。

2. 研究的基本内容

论文的主要研究内容是将石墨氧化之后得到氧化石墨烯（go），这将涉及氧化剂的选择问题，在本实验中，选择的反应试剂为h₂so_4、h₃po₄和kmno₄，比起传统的hummers法，由于不使用nano₃，此反应试剂最大的特点就是低毒，并且反应温度不高，降低了生产能耗，氧化程度还高。总的来说，氧化石墨烯的反应机理可由三个部分概括：插层-氧化-剥离。在插层阶段，混酸不能自发与石墨进行插层反应，必须借助氧化剂，如kmno₄的共同作用下，在石墨的边缘或者缺陷部分轻微氧化，使得层间距增大，以便于硫酸或硫酸根分子插层。在氧化阶段，一般分成两个部分，在加入去离子水之前为第一部分，氧化的活性成分为mn₂o₇和mno₃（kmno₄与混酸反应而成）。第二部分为加入去离子水后到加入过氧化氢溶液之前，此部分分氧化剂为kmno₄，在kmno₄氧化作用下，碳碳双键断裂而生成羰基。在剥离阶段，加入过h₂o₂后，溶液变为亮黄色，h₂o₂将未反应的kmno₄还原为无色的mnso₄溶液。go存在丰富的含氧官能团，如羟基，环氧化物和羧基等，这些官能团的存在使得go均匀分散和沉积都具有小粒度，并且对其再引入其他官能团进行下一步修饰也会变得容易。接着进一步在碳材料表面引入-so₃h基团磺化，在本实验中，采用h₂so₄-navo₃体系做磺化试剂，此方法最大的优点为既避免了使用发烟硫酸做磺化剂，却能达到使用发烟硫酸一样的磺化效果，从而不存在废弃硫酸的利用阶段，并且降低了试剂本身的腐蚀活性。含磺酸取代基的氧化石墨烯可以使材料的亲水性显著增加。然后将原料石墨，产品氧化石墨烯和含磺酸取代基的氧化石墨烯进行表征（1.在水中溶解超声处理 2.元素分析 3.测试ft-ir谱图），对比观察它们的亲水性以及判断go的磺化情况。最后基于以上操作过程，最后分析实验过程中出现的问题，提出合理的解释。展望亲水性氧化石墨烯衍生物的应用前景。

研究的操作流程如下：

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实验方法

本实验方案主要涉及磷石墨氧化成氧化石墨烯（go)，然后将go磺化生成亲水的石墨烯衍生物。在以前的研究中，常用的的磺化剂有浓硫酸、发烟硫酸、三氧化硫，氯磺酸等。

4. 参考文献

[1] larichev y v, koskin a p, et al. effect of vanadium compounds on the sulfonation of carbon materials[j]. kinetics catalysis, 2017, 58 (5) : 663 - 667.

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[3] chang b, li y, et al. so₃h-functionalized hollow mesoporous carbon sphere prepared by simultaneously achieving sulfonation and hollow structure[j]. journal of porous materials, 2015, 22 (3) :629-634.