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为了发展对常见二价重金属离子具有高效富集效果的新型碳纳米材料吸附剂，我们以碳纳米材料为研究对象，考察了常见二价重金属离子在碳纳米材料-水界面的吸附行为，探索了影响碳纳米材料对常见二价重金属离子吸附性能的主要因素，并结合表面络合模型获得了常见二价重金属离子在碳纳米材料-水界面的微观吸附机理，这些结果可以为发展对常见二价重金属离子具有高效富集性能的新型纳米碳材料吸附剂提供实验指导和理论参考。本论文主要包括四个部分的研究工作，每部分工作的目的、内容、方法、成果和结论如下: (1)在第一部分工作中，比较了pH、离子强度、吸附剂浓度和Pb(Ⅱ)初始浓度对Pb(Ⅱ)在两种新型碳纳米材料XC-72型炭黑和多壁碳纳米管(MWCNTs)上吸附行为的影响。目的是评估两者在废水处理中的可用性。结果显示Pb(Ⅱ)在XC-72型炭黑和MWCNTs上的吸附行为均跟pH值相关。通过Langmuir模型计算得到Pb(Ⅱ)在XC-72型炭黑和MWCNTs上的最大吸附量分别为～125.0 mg/g和～17.5mg/g。这说明XC-72型炭黑对Pb(Ⅱ)的去除效果优于MWCNTs。在FITEQL软件的帮助下，我们用恒电容模型拟合了Pb(Ⅱ)在XC-72型炭黑和MWCNTs上的吸附数据。在低pH下，Pb(Ⅱ)在XC-72型炭黑上的主要吸附形态是≡XOHPb2+，此时低的吸附率部分归因于H+和Pb2+之间对表面活性吸附位的竞争。在pH5.7-7.0之间，Pb(Ⅱ)的去除是通过同时吸附Pb2+和Pb(OH)+来完成的，此时Pb(Ⅱ)在XC-72型炭黑上的主要吸附形态是≡XOHPb2+和≡XOPbOH。在pH大于7.0时，Pb(Ⅱ)的去除主要是通过生成Pb(OH)20沉淀伴随Pb(OH+吸附来完成的。对于MWCNTs来说，Pb(Ⅱ)的吸附形态在pH小于5.9时是≡XOHPb2+，在pH5.9-8.5之间主要是≡XOHPb2+和≡XOPbOH+，而在pH大于8.5时是≡XOPbOH。 (2)在第二部分工作中，使用N2等离子体技术在多壁碳纳米管上修饰上乙烯吡啶(vinylpyridine，VP)，目的是改善MWCNTs的吸附性能。使用X-射线衍射光谱、X-射线光电子能谱和热分析仪对乙烯吡啶修饰的多壁碳纳米管(MWCNT-g-VP)进行表征。我们在环境条件下考察了应用MWCNTs和MWCNT-g-VP从废水中去除Pb(Ⅱ)和60Co(Ⅱ)。结果表明引入乙烯吡啶能显著提高MWCNTs对Pb(Ⅱ)和60Co(ⅡⅡ)的吸附容量。修饰在多壁碳纳米管表面的乙烯吡啶官能团能抑制多壁碳纳米管的团聚，同时还能提供更多的官能团，这些都能促进Pb(Ⅱ)和60Co(Ⅱ)在MWCNT-g-VP上的吸附。根据Langmuir模型的拟合结果可知，在pH=6.0时，Pb(Ⅱ)在MWCNTs上的最大吸附容量是～15.9 mg/g，而在MWCNT-g-VP上的最大吸附容量是～37.0 mg/g;在pH值为7.5时，MWCNT-g-VP对60Co(Ⅱ)的最大富集量是13.9 mg/g。 MWCNT-g-VP较高的吸附容量说明在环境污染治理中，MWCNT-g-VP是从废水中富集和固定重金属和放射性核素的一种合适材料。 (3)在第三部分工作中，给出了三种不同的碳材料:氧化石墨烯、多壁碳纳米管和活性炭用于Cu(Ⅱ)去除的比较研究。利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、N2-BET比表面分析和电位酸碱滴定详细表征了这三种碳材料。同时还考察了pH和Cu(Ⅱ)离子浓度对Cu(Ⅱ)在这三种碳材料上吸附的影响。在FITEQL软件的帮助下使用恒电容模型确定了Cu(Ⅱ)在三种碳材料上吸附的合适的表面反应。另外，解释了比表面积和表面酸性官能团总浓度如何影响三种碳材料对Cu(Ⅱ)的吸附容量。这些结果在预测表面改性的碳材料吸附容量方面起着重要作用。 (4)为了进一步考察氧化石墨烯(GO)是否对其他重金属也有很高的吸附容量。在第四部分工作中，我们研究了Pb(Ⅱ)在GO上的吸附。首先我们以石墨为原料利用改进的Hummers方法合成GO，并利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、粉末X-射线衍射、X-射线光电子能谱和拉曼光谱对其进行了表征。然后将合成的GO用于吸附水溶液中Pb(Ⅱ)。静态实验结果显示Pb(Ⅱ)在GO上的吸附受pH值影响，而离子强度对吸附的影响不大。利用Langmuir模型计算得到在293 K、313K和333 K时Pb(Ⅱ)在GO上的最大吸附容量分别为842、1150和1850 mg/g，这些值均高于文献中报道的值。这主要是因为石墨烯表面含氧官能团与Pb(Ⅱ)离子之间存在强的相互作用。计算得到的热力学常数显示Pb(Ⅱ)在GO上的吸附是一个自发的吸热过程。 从我们的实验结果可以预测假如能低成本大规模制备新型的碳纳米材料，那么新型的碳纳米材料将是从溶液中富集重金属的有效吸附剂。本工作拓展了新型的碳纳米材料在重金属去除方面的应用。