隨著世界人口數(shù)量的不斷增長、水污染情況不斷加劇，使得污水處理受到空前的關(guān)注。人們在積極尋找污水處理與利用的方法。基于比表面積大、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、可修飾性強(qiáng)以及導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機(jī)溶劑、重金屬等污染物，還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水處理材料被人們廣泛研究。

工業(yè)廢水的亂排亂放、城市生活垃圾、農(nóng)藥噴灑等等，造成本來已是極少的淡水資源加劇短缺，無法為人所用。每年大量的廢污水給我國的環(huán)保行業(yè)帶來巨大的壓力。水污染情況不斷加劇，使得污水處理受到空前的關(guān)注。

人們在積極尋找污水處理與利用的方法?；诒缺砻娣e大、強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、可修飾性強(qiáng)以及導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，石墨烯不僅可很好的吸附水中的有機(jī)溶劑、重金屬等污染物，還可作為催化劑載體，催化水中污染物的降解，因而作為污水處理材料被人們廣泛研究。

石墨烯對水中有機(jī)物的吸附

石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年問世，發(fā)現(xiàn)石墨烯的英國曼徹斯特大學(xué)諾沃肖洛夫教授憑著這一重大發(fā)現(xiàn)而于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎！

石墨烯材料可以用來吸附水中有機(jī)污染物，例如有機(jī)染料、烴類、原油、農(nóng)藥和一些天然有機(jī)物質(zhì)。

王祥科教授等通過大量的實(shí)驗(yàn)將石墨烯表面進(jìn)行磺酸基功能化處理，這種處理提高了石墨烯的分散性，進(jìn)而提高了石墨烯的吸附能力。研究結(jié)果表明，這種功能化石墨烯對萘和萘酚的吸附能力達(dá)到了2.4mmol /g。與二維材料負(fù)載率低且可能造成二次污染相比，三維材料在水凈化中能很容易被循環(huán)利用。研究表明，獨(dú)立的三維結(jié)構(gòu)很容易被回收，有利于材料的循環(huán)再利用。這不但簡便了操作，也大大降低了回收成本，對于實(shí)際的工業(yè)操作有很大的應(yīng)用價值。三維石墨烯不僅對有機(jī)染料具有很好的吸附性，對各種類型的油也具有很高的吸附容量，這對以后的海水中的石油污染也具有很高的利用價值。

Ruoff 教授等利用水熱成型過程制備得到海綿狀結(jié)構(gòu)的石墨烯; 然后，利用這種材料去除人工海水中許多商業(yè)石油產(chǎn)品( 包括煤油、泵油、油脂和有機(jī)溶劑等) 來檢驗(yàn)其吸油性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石墨烯海綿材料吸收了超過其本身重量86 倍的油污，超過其他任何常見吸收劑的吸油能力。其吸收的碳?xì)浠衔镫S后通過簡單地加熱回收，回收率能達(dá)到99%。通過該過程，石墨烯海綿可以重新生成，并且重復(fù)使用10 次以上，其性能絲毫不會下降。

李海濤教授選取粒徑為500 nm 的石墨烯碎片，通過一種特殊的物理技術(shù)，把石墨烯碎片送入活性炭的細(xì)孔并附椎在內(nèi)表面上，達(dá)到增加過濾材料的比表面積，改善過濾效果，研制出一種功能性材料--石墨烯炭分子篩。該材料具有超高的吸附性，且輕薄、穩(wěn)定、耐熱、比表面積大、對人體無害。與同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20 倍。這種石墨烯炭分子篩材料可以合成一種復(fù)合膜，可有效去除飲用水中的抗生素。

劉兆平教授利用甲酰胺作為驅(qū)動劑，通過普通加熱的方式制備具有納米卷結(jié)構(gòu)的氮摻雜三維石墨烯材料。去除亞甲基藍(lán)和羅丹明B 的去除效率分別達(dá)到了96.8% 和94.6%。氮摻雜所帶來的螺旋通道是使有機(jī)物可以連續(xù)高效率的擴(kuò)散到石墨烯內(nèi)層的關(guān)鍵。

石墨烯在治理重金屬污染中的作用

不加限制的科技發(fā)展對環(huán)境造成了極大破壞，如電子廢棄產(chǎn)品的不當(dāng)處理對水體造成了重金屬污染。而石墨烯由于具有超大比表面積，其在吸附劑領(lǐng)域具有很大應(yīng)用潛力。

Leng等利用肼還原氧化石墨，所制得的還原氧化石墨烯( rGO) 可自發(fā)吸收金屬銻，且最大吸附量可達(dá)7.463 mg /g。而Pan 等利用工業(yè)中常用的二硫化脲還原GO，所制得的rGO 可以自發(fā)吸附放射性核燃料釷，且最大吸附量為0.21 mg /g。由于石墨烯表面活性官能團(tuán)較少，因此許多研究者針對石墨烯進(jìn)行修飾和改性后，將其應(yīng)用于重金屬的吸附，取得了較好的吸附效果，甚至可以實(shí)現(xiàn)多種重金屬離子的同時吸附去除。

Wu 等利用十六烷基三甲銨( CTAB) 對石墨烯進(jìn)行改性后發(fā)現(xiàn)，改性石墨烯可自發(fā)吸附金屬Cr，且最大吸附量可達(dá)21.57 mg /g。Mishra 等利用氫氣使GO 剝落從而獲得石墨烯片層，然后再用濃硝酸處理，使石墨烯表面富含官能團(tuán)，將功能化的石墨烯用作超級電容器電極，不僅實(shí)現(xiàn)了對水中As 和Na 的去除，同時實(shí)現(xiàn)了海水脫鹽，其最大吸附量分別為As( V) 142 mg /g、As( III) 139 mg /g，明顯高于多壁碳納米管和磁性還原氧化石墨。

與石墨烯相比，GO 由于具有更多含氧官能團(tuán)，親水性強(qiáng)，因此更容易被修飾，也使其更易與金屬形成絡(luò)合物，因此更有利于水中重金屬的吸附。除了對重金屬具有好的吸附性，GO對放射性元素鈾( VI) 也具有很好的吸附性。

Li 等人用GO納米片層對鈾( VI) 進(jìn)行吸附，結(jié)果表明，GO 對鈾( VI) 的最大吸附量為299 mg /g，吸附效果明顯好于rGO ( 47 mg /g) 。與石墨烯相似，對GO 進(jìn)行修飾能夠進(jìn)一步增加吸附效果。

Madadrang 等人用乙二胺四乙酸( EDTA) 對GO 進(jìn)行改性，由于EDTA 能與金屬形成穩(wěn)定的螯合劑，因而具有很好的吸附效果，根據(jù)Langmuir 模型，GO-EDTA 對Pd2 + 的最大吸附量達(dá)到了525 mg /g，比GO 高近2 倍。

此外，三維石墨烯不僅可作為宏觀體解決了固液分離的難題，在吸附性能上也具有很大優(yōu)勢。Lei 等人制備出比表面積達(dá)578.4 mg /g 的三維獨(dú)立GO 泡沫，其對Cd2+、Pd2+和Fe3+的最大吸附量分別為252.5、381.3 和57. 6 mg /g。

Gao 等人利用多巴胺還原石墨烯制備出了三維石墨烯水凝膠，多巴胺在還原石墨烯的同時，將石墨烯表面進(jìn)行修飾。所制備的石墨烯除了對重金屬有很好的吸附性外，對合成燃料，芳烴污染物等也具有很好的吸附性。石墨烯不僅可以吸附金屬陽離子，而且對陰離子也有很好的吸附效果。例如，石墨烯可以吸附水中PO4-，ClO4-以及F- ，與重金屬陽離子的固定吸附機(jī)理不同，陰離子是通過和石墨烯上形成π - π 結(jié)構(gòu)來吸附的。

Vilela 等發(fā)明了一種氧化石墨烯基的微型機(jī)器人，可用來清理污染水域中的有毒重金屬。試驗(yàn)表明，微型機(jī)器人在一個小時之內(nèi)，能回收污染水域中95% 的鉛，將水域中含鉛的濃度從 1.0 × 10-6 降低到0.5×10-7。而將回收的鉛進(jìn)行化學(xué)分離之后，微型機(jī)器人可再次投入使用。

石墨烯雖然在吸收重金屬離子方面有非常優(yōu)異性能，但目前石墨烯價格太高及工藝條件不成熟，在重金屬吸附領(lǐng)域還很難投入大規(guī)模應(yīng)用。隨著石墨烯制備價格的降低，以及吸附效果的提高，石墨烯必將在污水中重金屬離子吸附領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

石墨烯作為催化劑載體在污染物降解方面的研究

雖然吸附可以去除水中的污染物，然而這一技術(shù)僅能吸附污染物，而真要達(dá)到凈化水還需要對吸附后的材料進(jìn)行進(jìn)一步處理。全面沉降或去除污染物可以通過催化降解的方法。催化治污成本低、效率高，具有非常好的應(yīng)用前景。

石墨烯巨大的比表面積和表面豐富的官能團(tuán)賦予其優(yōu)異的特性，使其作為催化劑載體等方面具有較大的潛力。

研究表明，以石墨烯為載體制備的二氧化鈦/石墨烯光催化劑在紫外光下降解羅丹明B和亞甲基藍(lán)的速率較純TiO2有明顯提高。金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料則具有非常好的光催化效率，可催化降解有機(jī)物、還原重金屬陽離子以及凈化水。石墨烯催化劑還可以殺死污水中的細(xì)菌。石墨烯和氧化鎢納米復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的光催化殺滅噬菌體的特性。TiO2 /石墨烯復(fù)合材料催化劑在光照下也表現(xiàn)出對線蟲和大腸桿菌的毒副作用。

市場前景分析

在過去的十年中，石墨烯以及石墨烯類材料如何應(yīng)用到環(huán)保中已經(jīng)取得了巨大突破。石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能將環(huán)保材料的性能顯著提高。由于石墨烯和碳納米管、富勒烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，因此在環(huán)保領(lǐng)域也將具有很大相似的應(yīng)用。因此，選擇使用哪種碳材料在環(huán)保領(lǐng)域中使用，主要決定于他們的價格、加工性以及對環(huán)境的影響。

從這個方面考慮，由于GO 價格相較與原始石墨烯相對便宜，因此GO 很可能率先應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域。GO 的價格與多壁碳納米管價格相當(dāng)，比活性炭貴，但是比單壁碳納米管和CVD 法合成的石墨烯便宜很多。然而，由于生產(chǎn)能力增加以及工藝優(yōu)化，基于石墨烯的材料成本必然會隨著時間的推移而下降。2014 年實(shí)驗(yàn)室石墨烯的生產(chǎn)成本已經(jīng)降為2012 年的1 /4 左右。得益于石墨烯成本的下降，石墨烯下游應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)研究突破的同時也將很快實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的突破。

雖然石墨烯在水處理領(lǐng)域的研究成果豐碩，但由于其高昂的價格，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，多領(lǐng)域的應(yīng)用仍將停留在研究階段。

石墨烯的比表面積巨大，可以很好的吸附水中的重金屬以及染料，石墨烯作為吸附劑應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域?qū)㈤_啟產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前來說，因?yàn)殡m然石墨烯的吸附性能非常優(yōu)異，但是與活性炭相比性價比太低，不具備經(jīng)濟(jì)效益。石墨烯比表面積的理論值為2630 m2 /g，但是普通品質(zhì)的石墨烯很難超過1000m2 /g; 而商業(yè)活性炭的比表面積一般在800 ～ 1000m2 /g 之間，具有發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，其吸附性能也非常優(yōu)異，因此看似沒有必要采用價格昂貴的石墨烯替代活性炭用于各類污染物的吸附。

然而石墨烯卻擁有著活性炭等材料無法比擬的優(yōu)勢，由于其特殊的二維結(jié)構(gòu)和孔徑分布，對于污染物的吸附效率會更高; 此外，GO 以及rGO 表面的官能團(tuán)其多種吸附機(jī)制的協(xié)同作用( 靜電作用、氫鍵作用、π-π 鍵作用以及疏水作用等)也帶來了更好的吸附效果。

目前很多研究集中在石墨烯對水中各種重金屬離子的吸附上，雖然活性炭吸附重金屬的特性比石墨烯差，但是這一不足可靠數(shù)量優(yōu)勢彌補(bǔ)。近年來，國內(nèi)很多石墨烯原材料生產(chǎn)企業(yè)都已布局了量產(chǎn)生產(chǎn)線，隨著下游應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)，石墨烯生產(chǎn)成本的不斷降低只是時間問題，未來在污水處理的市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。

結(jié)論

石墨烯，尤其是氧化石墨烯，不僅比表面積巨大，而且表面含大量的活性官能團(tuán)如羧基、羥基、羰基、環(huán)氧基以及大量的孔洞缺陷等，因此吸附能力很強(qiáng)，對環(huán)境中的重金屬離子、有機(jī)污染物等都有具有良好的去除能力。同時，石墨烯作為吸附劑使用時，對其質(zhì)量要求不是很高，降低了實(shí)際應(yīng)用的難度，未來在污水處理領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。世界各國也相繼出臺政策引導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展，特別是面對當(dāng)前世界的頭號難題環(huán)境問題，必將繼續(xù)深度研究，發(fā)揮石墨烯的巨大優(yōu)勢。有缺陷的石墨烯并不完美，而科研人員卻挖掘出它內(nèi)在的潛質(zhì)，使實(shí)現(xiàn)其華麗轉(zhuǎn)身，在不斷改進(jìn)制備工藝來降低石墨烯生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，石墨烯必將在環(huán)保除污、凈化環(huán)境方面大顯身手，在未來的市場競爭中將逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位。

來源：綠野 中國環(huán)聯(lián)

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