浅析石墨烯类材料在水处理和地下水修复中的应用

赵卫芳

【摘要】作为一种性质优异的吸附材料，石墨烯类材料对有机物和重金属等多种水污染物均有出色的吸附能力，因此其在水处理和地下水修复工作中的应用前景在近几年备受关注.当前的研究总体上尚停留在实验室模拟阶段，在提高材料饱和吸附量的同时，研制出低成本、稳定性强、易于再生利用且环境友好的石墨烯类材料是今后的发展趋势。

【关键词】石墨烯；吸附材料；水处理；地下水修复

一、石墨烯的结构及性能

（一）石墨烯的结构

石墨烯是单层碳原子以六方晶格排布的二维蜂窝状新型碳材料，具有非常好的电学性能及结晶性能，是构建其他维数碳质材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨）的基本单元。当石墨烯晶格中有五元环晶格存在时，石墨烯片层产生翅曲，有12个以上五元環晶格存在时会形成零维的富勒烯；当石墨烯以其面上的一点为周卷曲一圈时，就会卷成无缝的一维碳纳米管；当石墨烯六角网面之间通过π电子相互作用就会堆垛成三维的石墨。

（二）石墨烯的性能

石墨烯的这种独特的单层分子结构决定了它一些特有的物理、化学性能。石墨烯具有稳定的晶格结构，这使得它具有非常好的导热性能，有关实验测得石墨烯的热导率可达到5000W/（m·K），禁带宽度几乎为零，远高于在室温下测得的金属铜的热导率[400W/（m·K）]，甚至也高于金刚石和碳纳米管的热导率。与普通金属材料热胀冷缩的性质不同，石墨烯的热导率随温度的升高而降低。石墨烯也具有优异的力学性能，是目前世界上已知材料中最薄也是最坚硬的纳米材料，其断裂强度（强度极限）为42N/m2。石墨烯的电阻率约为10-6Ω·cm，比金属铜或银低很多，是目前所有已知材料中在室温下具有最低电阻的材料，石墨烯的导电密度是铜的100万倍。石墨烯这种优异的导电性能将会在微电子领域发挥巨大的潜力，研究人员把石墨烯看作是硅的替代品，未来将应用于超级计算机的生产。

二、石墨烯类材料在水处理中的应用

（一）有机物

石墨烯类材料含有大量的碳六元环且表面能连接各种丰富的官能团，因此能通过静电吸引、π-π堆积作用、氢键作用、分子间作用力和疏水作用与常见的有机污染物例如染料、抗生素、多环芳烃、油污等发生相互作用，从而起到净化水质的作用。染料废水主要来源于纺织、皮革、造纸、医药和食品行业，因其高毒性、致癌、难以被生化降解等特点对环境和人体健康造成威胁。据报道每年有超过70万t的有机染料被生产，大部分染料在工业废水中经过沉积作用后最终排入水系。

（二）重金属

近年来，冶金、金属电镀、采矿、陶瓷和电池制造企业向水环境排入大量含有重金属离子的工业废水，造成水体重金属污染。这些重金属离子具有高毒性、难降解、易生物累积的特点，因此必须在排放前进行处理。石墨烯类材料在处理重金属污染方面的应用潜力也受到学者们的关注。石墨烯类材料吸附重金属离子的作用机理主要为静电相互作用、离子交换和表面络合作用。Xu等报道了一种将乙酰丙酮作为还原剂和稳定剂将GO还原成水溶性石墨烯的方法，这种方法环境友好且反应条件温和，对Cd2+的最大吸附量为49.28mg/g，为碳纳米管的4.5倍，对Co2+的最大吸附量为27.78mg/g，为TiO2纳米颗粒的3.6倍。Zhang等通过改进的hummers法制备出聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与还原氧化石墨烯的复合材料（PVP-RGO），在初始pH值3.5时充分搅拌10min后对Cu2+的最大吸附量达到1689mg/g，密度泛函理论解释了吸附机理，PVP-RGO上的碳原子通过物理吸附将Cu2+吸附到RGO表面，Yusuf等将十二烷基硫酸酯链（SDS）经疏水作用固定在GN表面制成GN-SDS复合材料，其对Cu2+和Mn2+的最大吸附量分别为369.16和223.67mg/g，经过连续5次吸附循环后，吸附效率降低30%～33%。吸附过程主要受GN-SDS表面的电子受体复合物和金属离子之间的静电相互作用支配。

三、石墨烯类材料在地下水污染修复中的应用

原位修复技术主要有生物修复技术、化学修复技术、空气扰动技术、渗透反应格栅技术（PRB）等，GN作为一种物理吸附剂并不能与污染物进行直接的生物或化学反应。因此，在众多地下水原位修复技术中，石墨烯类材料最有可能应用在PRB技术中，即将其作为吸附材料置于PRB中或通过直接注入到受污染的地下水的方式进行修复。

在地下水修复方面，石墨烯类材料的研制需要结合和充分考虑地下水污染场地的实际条件。地下水原位修复技术难度大，主要原因在于野外实际场地条件比实验室模拟的要复杂，而且条件难以控制甚至不可控，因此在实验室已成功研制甚至在水处理工程中已成功应用的修复材料，在地下水原位修复时未必可行，石墨烯类材料也不例外。

参考文献

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