石墨烯材料在污染物吸附去除中的应用展望

周世嘉 徐智阳

摘 要：自本世纪初石墨烯被发现以来，由于其分子结构独特，具有超大的比表面积、吸附性能优异、潜在理论研究价值高、市场应用前景广阔而备受关注。本文首先概述了石墨烯及其制备方法，进而着重论述了石墨烯及其复合材料作为吸附剂，在重金属、染料、有害气体、油污、杀虫剂和抗生素等污染物去除方面的应用进展，最后对石墨烯及其复合材料在污染物吸附去除方面的发展前景进行了展望。

关键词：石墨烯；吸附；污染物

引言

长期以来，随着经济社会的发展，环境问题始终伴随着经济社会发展不断涌现，环境污染物的种类和处理、处置难度也不断增加，各类污染物长期威胁着广大人民群众的身体健康乃至生命安全，因此，对于环境污染的治理刻不容缓。

吸附是化学物质在两个毗邻相界面之间的富集过程。吸附法一直是污染物去除领域的重要方法，而吸附剂是吸附法的核心材料。环境保护领域常用的吸附剂包括活性炭、离子交换树脂、硅胶、硅藻土等[1]，这些吸附剂长久以来应用于环保领域，但其广泛存在吸附速率慢、不易降解，容易产生二次污染的缺点和不足。为了克服以上缺点，近年来石墨烯以比表面积大、易于修饰和改性并可通过氧化、接枝等手段引入多种官能基团的显著优点，引起了研究者的广泛关注。

1 石墨烯及制备方法

石墨烯（Graphene）是由石墨衍生出来的一种具有二维结构的晶体材料，其整体都是由碳原子所组成，在这之前，科学界普遍认为二维纳米材料是无法存在的[2]。直到2004年，曼彻斯特大学的诺沃与海姆两个人第一次从石墨中分离得到石墨烯[3，4]，自此，石墨烯开始得到了全球的广泛关注，而基于石墨烯设计开发出来的材料在吸附剂、生物传感、催化等领域也均有大量的报道。石墨烯随着制备方法的发展，目前可以通过机械剥离、化学气相沉积、外延晶体生长（加热SiC）、淬火、及氧化-还原五种方法来制备。

2 石墨烯材料在污染物吸附中的应用

目前报道的炭黑和碳纳米管比表面积约为100～1000 m2/g，石墨烯的比表面积远大于二者，这使其在环境吸附领域具有重大的潜在应用前景。近年来，作为吸附剂，石墨烯类材料在环境领域中的应用获得了研究人员的广泛关注，被具体应用于重金属离子、染料、有害气体、油污、杀虫剂等污染物的去除中。

2.1对重金属的吸附

重金属离子污染物具有很大的毒性、而且该类污染物分布較广、含量低且不容易被分解；由于其会长期在环境中分散存在，植物会通过生物富集作用将其吸收，然后通过食物链进入人体，对人类的生存和健康产生严重的影响。因此，对环境样品、生物样品中的重金属离子的深度处理就显得十分有意义。对于石墨烯材料在重金属吸附方面的研究应用在近年来被许多学者所关注。石墨烯对重金属的吸附能力是不同的，Park等研究发现石墨烯对重金属阳离子吸附能力影响顺序为：Fe3+ > Cr3+ > Zn2+ > Pb2+ > Cu2+；而如果是在环境中，其顺序又变为Fe3+ > Zn2+ > Cu2+ > Cr3+ > Pb2+。Xie研究表明巯基乙胺能够与GO（氧化石墨[Graphite Oxide]）表面的环氧基发生反应，反应后巯基乙胺可以联结到石墨烯的外表面，实验结果显示，此时的石墨烯对Hg2+具有吸附性能，就因为其外表面连有巯基乙胺。

2.2 对染料的吸附

染料在现代的工业生产生活中被广泛的应用，同时其又具有肉眼可见性，所以石墨烯对染料的吸附作用也得到了广泛的应用研究。

在石墨烯对染料的吸附应用研究方面，Liu等通过用Langmuir模型拟合，研究发现GO对亚甲基蓝的吸附量为750 mg/g。把GO海绵用于甲基紫的吸附，发现GO海绵的吸附量达到了386 mg/g，比单纯的GO吸附量要少很多。Peng等制备了包含石墨烯的生物碳，发现比单纯的生物碳对亚甲基蓝有更高的吸附量。

此外，石墨烯在其他一些染料的吸附应用中也有部分研究。石墨烯壳聚糖的多孔结构可以吸附活性黑；GO包裹的沙子可以处理罗丹明B；还有一种材料叫石墨烯海绵，它也能够很好的处理罗丹明B；石墨烯-CNT气凝胶也是一种良好的材料，其可以吸附罗丹明B、亚甲基蓝和酸性复红等。

2.3 对有害气体的吸附

随着经济与科技的不断发展，人类对于能源的需求不断增大，面对这个难题，世界各国一方面寻求新型能源的替代；在另一方面就是寻找更高效环保的吸附材料以此来吸附有害的气体。

Wang在其论文中采用巨正则蒙特卡洛法模拟对比了金属有机骨架化合物、共价有机骨架化合物和氧化石墨烯材料对汽车、工厂尾气（CO、NO、NO2）的吸附能力；Wu等研究了石墨烯/聚苯胺复合材料对NH3的吸附性能，其最低检测浓度为0.9 ppm；Zhao等则证实了相比石墨烯而言，掺杂了钙、钴、硅和铁等原色的石墨烯对H2S气体更具有亲和力。

2.4 对油污的吸附

现代生活离不开石油，而我们经常会看到新闻报道原油污染，前几年的渤海湾石油泄漏污染，给我们的生态环境带来了严重的灾难性后果，而石墨烯的天然疏水本质使得石墨烯吸附剂能够很好的处理石油污染。Bi等得到的RGO海绵可以吸附很多油类污染物，比如辛烷、泵油和花生油等；石墨烯可以吸附橄榄油和汽油等；石墨烯海绵可以吸附正庚烷、柴油、煤油等，实验表明每克石墨烯海绵对以上油类的吸附量一般为35-50g左右，相比来说其对油污的吸附能力和吸附量已经相当可观。

2.5 对杀虫剂以及其他污染物的吸附

日常生活中我们常见的环境污染物也包括杀虫剂、抗生素等，石墨烯及其复合材料的吸附能力同样对这些污染物具有相当强的吸附力。杀虫剂的成分中最常见的是毒死蜱、硫丹、马拉硫磷等。GO和RGO均可以对这些杀虫剂有害物质进行吸附处理，Maliyekkal等发现RGO对毒死蜱、硫丹、马拉硫磷三种杀虫剂的吸附能力分别是1250mg/g、1100mg/g、750mg/g，可以看出其吸附能力相当强大。

3 结论

现如今，将石墨烯和其他复合材料作为吸附剂，用以处理各类污染物具有潜在的应用价值，如何对石墨烯进行修饰以及复合，制备得到对目标污染物具有更高吸附效果的材料仍有待更多的发掘和研究。值得注意的是，有研究表明石墨烯对人类具有潜在的毒性，同时氧化之后的石墨烯具有不容易下沉的特点。它会黏贴在逐渐腐烂的动植物产生的有机物上。因此，在享受石墨烯及其复合材料给我们带来益处的同时，还要考虑其可能带来的危害！

参考文献

[1]刘明华，水处理化学品[M].化学工业出版社：北京，2010.

[2]Peierls R.Quelques propriétés typiques des corps solides [C].Annales de l'institut Henri Poincaré.1935，5（3）：177-222.

[3]Bethe H.Zur theorie des durchgangs schneller korpuskularstrahlen durch materie [J].Annalender Physik，1930，397（3）：325-400.

[4]Novoselov K S，Geim A K，Morozov S V，et al.Electric field effect in atomically thin carbon films [J].science，2004，306（5696）：666-669.

*作者簡介

周世嘉（1984-），男，硕士，工程师。主要从事环境科研、环境规划工作。E-mail：zsj1984111@126.com。

注释：

1.汪涌豪：《中国文学批评范畴及体系》，复旦大学出版社2007年版，第215页。

2.王宏林：《沈德潜诗学思想研究》，人民出版社2010年版，第198页。

3.陈文新：《明代诗学》，长沙：湖南人民出版社2000年版，第259页。

4.查清华：《格调论的思维模式》，载《社会科学战线》2006年第6期。

5.《礼记正义》卷五十，上海古籍出版社1997年影印阮刻《十三经注疏》本，第1609页。

6.吴兆路：《沈德潜“温柔敦厚”说新解》，《文化遗产》1997年第四期，第91页。

（作者单位：抚顺市环境科学研究院）