氧化石墨烯及其复合材料在污水处理中的应用现状及展望

王 磊

（天津联达市政规划设计研究有限公司，天津 300384）

0 前言

石墨烯（GN）是由单层sp2杂化的碳原子以化学键连接，呈蜂巢晶格排列的稳定六边形平面二维纳米材料，Geim和Novoselov在2004年以胶带不断剥离石墨晶体的方式首次获得了石墨烯，石墨烯由于其优异的理化性质，受到广泛关注。氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，含有环氧基、羰基、羧基[1]等多种官能团，这些官能团可作为反应活性点，使GO成为有效的催化剂载体，此外这些官能团可以加强与污染物的理化反应，从而提高对污染物的吸附能力。

随着经济的发展，大量工业废水的排放使得环境受到污染的巨大挑战，促使大量污水处理技术得到应用。同时相关研究人员也在不停探索能够提高污水处理效率和成本的新材料，GO及其复合材料在水处理方面应用潜力巨大。本文从GO作为催化剂载体对水中污染物的降解和GO复合材料作为吸附剂在有机物和重金属吸附方面做出论述，并提出展望。

1 GO作为催化剂载体对有机物的降解

GO具有较好的机械强度，可以作为催化剂载体，由于其丰富的亲水性官能团，使得GO及其复合材料在水中均匀分布，提高反应速率。在处理油污废水、制药废水、染料废水方面得到应用。

其中李成希等[2]以GO/Fe3O4/ZnO复合材料为催化剂降解苯酚，在GO/Fe3O4/ZnO投加量为200mg/L，H2O2投加量为12mmol/L，pH=7.2的条件下，利用该复合材料对苯酚质量浓度为88.85mg/L的油田废水进行光催化Fenton降解，60min后，苯酚降解率可达98%。张虹等[3]以TiO2/GO复合材料作为催化剂对制药废水进行光催化处理，由实验结果分析可得，GO的成功负载对纳米TiO2粉体的催化效率有显著影响，TiO2/GO复合物对制药废水的色度降解在30min时可以达到95%以上，180min时COD去除率可达78%。王君等[4]以Co3O4/GO/氧化纤维素复合材料为催化剂对染料废水进行降解研究，当酸性橙Ⅱ初始摩尔浓度为0.2mmol/L，单过硫酸氢（PMS）投加量为2.00mmol/L，Co3O4／GO／氧化纤维素投加量为0.50g/L，温度为25℃，pH=7时，酸性橙Ⅱ可在6min内完全降解。

这是由于氧化石墨烯具有丰富的亲水基团，能够使GO与其复合材料在水中均匀分布，另外GO本身具有良好的机械强度和强大的比表面积非常适合以催化剂载体的形式承载催化剂，同时其本身的载流子速度快，对催化剂的催化过程也起到一定的促进作用，因此才会在油污废水、制药废水以及染料废水处理上有突出应用。

2 GO复合材料对污染物的吸附

2.1 GO复合材料对有机物的吸附

GO比表面积大，并且存在大量的官能团使其对有机物的存在大量的吸附位点，可以单独作为吸附剂。与此同时，一些纳米金属和岩石类材料，具有表面积大，吸附能力强的特点，但是分散性差、易团聚，无法单独做吸附剂，GO具有机械强度高的特点，可以作为吸附剂载体与上述材料制备GO复合材料，实现充分利用不同材料的吸附性能。GO复合材料在处理抗生素废水和染料废水得到大量应用。

姜鹏等[5]以氧化石墨烯负载零价纳米铁吸附水中环丙沙星，对环丙沙星的最大吸附量是656.66mg·g-1。贺琼等[6]使用氧化石墨烯／硅藻土复合材料吸附废水中的亚甲基蓝，的最大吸附量为125mg/g。

2.2 GO复合材料对重金属的吸附

GO表面的官能团与金属离子可以发生络合反应，使其对金属离子吸附性能增强。GO可与吸附能力强的有机物或者无机物组成复合材料，充分发挥各自的吸附性能，提高对金属离子的吸附能力。对Cd（Ⅱ）、铜离子和Cr(VI)具有较好的吸附效果。

李仕友等[7]利用GO/SiO2复合材料对Cd（Ⅱ）的吸附，当吸附时间为100min，投加量为0.25g/L，溶液pH为8.5时，氧化石墨烯/SiO2吸附Cd（Ⅱ）效果最佳。FTIR、SEM等结果表明，GO/SiO2吸附Cd（Ⅱ）前后自身结构并未产生变化，其对Cd（Ⅱ）具有很好的吸附效果。贺琼等[8]利用氧化石墨烯/壳聚糖复合材料吸附铜离子，复合材料的最佳吸附条件为pH=9，用量为20mg，吸附时间为10min，吸附率达88%。王敏等[9]使用壳聚糖/GO复合材料对Cr(VI)进行吸附研究，结果表明:Cs含量为GO质量的10%、溶液pH为2.00、Cr(VI)初始浓度为100mg/L时吸附效果最好。吸附平衡时间为150min。Langmuir吸附等温模型和拟二级吸附动力学方程能较好的拟合该吸附过程，该材料经过4次吸附-解吸循环吸附试验后，仍保持一定的吸附性能。因此，Cs/GO复合材料可用于含Cr(VI)废水的处理。

3 结论与建议

氧化石墨烯（GO）由于具有电子迁移率高、比表面积大、表面含氧官能团丰富等优异特质，使其作为催化剂载体和吸附剂方面具有很大优势，GO可与化合物制作复合材料，增强其吸附能力，使得GO及其复合材料在污水处理中具有巨大的应用潜力，在具体应用方面提出以下几点建议。

（1）相关研究还停留在实验室小试阶段以处理模拟废水为主，与处理实际废水过程中会出现差异，应加强对真实废水的研究，并且放大实验规模，为进入工业化阶段进一步明确相关参数。

（2）在应用过程中，材料回收难度大，易对环境造成污染，同时产生浪费，需开发磁性材料，提高材料的回收利用率。

（3）开发出生产成本低、处理效率高、无污染的复合材料是未来研究的重点。

[1]Park S，Lee K S，Bozoklu G，etal. Oxide papers modified by divalent ions-enhancin G mechanical properties via chemical cross-linkinG[J].American Chemical Society,2008,2(3).

[2]李成希，吴坤坤，孟祖超，等.GO/Fe3O4/ZnO的制备及其光助Fenton降解苯酚[J].工业水处理，2017，37（2）：51-55.

[3]张虹，汪恂，朱雷，等.TiO2/GO纳米复合材料对制药废水的光催化处理[J].工业安全与环保，2017，43（10）：1-3.

[4]王君，Asif Hussain，李登新，等.易回收Co3O4／氧化石墨烯／氧化纤维素的制备及对染料降解的研究[J].环境污染与防治，2017，39（12）：1337-1342.

[5]姜鹏，李一兵，童雅婷，等.氧化石墨烯负载零价纳米铁吸附水中环丙沙星的研究[J].环境科学学报，2016，36（7）：2443-2450.

[6]贺琼，李智利，傅春霞.氧化石墨烯／硅藻土复合材料的制备及去除废水中亚甲基蓝的应用[J].化学世界，2017（5）：268-274.

[7]李仕友，熊凡，王亮，等.氧化石墨烯/SiO2复合材料对Cd（Ⅱ）的吸附[J].复合材料学报，2017,34（6）：1205-1211.

[8]贺琼，祁秀秀，赵欢迎.氧化石墨烯/壳聚糖复合材料的制备及其吸附铜离子应用研究[J].化工新型材料，2016，44（10）：141-143.

[9]王敏，陈爱侠，陈贝.壳聚糖/氧化石墨烯复合材料对Cr(VI)吸附性能研究[J].环境保护科学，2018，44（2）：51-56.