张姗姗 咸傲
潍坊科技学院
摘要：碳纳米材料是较良好的催化剂载体，其中石墨烯因其具有高比表面积、物理化学性质稳定、优异的机械性能而著名。利用其优异的性能并与其它材料进行复合使其在环保废水处理领域中发挥重要的作用。
关键词：石墨烯；废水；吸附
近年来，随着现代化工业的发展，环境污染问题已成为我国面临的重要问题之一。人们也越发重视环境保护和健康可持续发展，其中水污染的治理成为专家学者的重点研究方向。被誉为“工业味精”的石墨烯具有较高的比表面积、丰富的活性基团是理想的吸附材料，在水处理、污水处理等领域表现出独特的优势。
一 前言
石墨烯是仅由碳原子构成的二维平面碳纳米材料，其表面没有活性基团，所以不能直接发挥吸附作用。只要在石墨烯片层上复合一些其它材料，合成多功能的石墨烯复合材料，可以缓解石墨烯容易团聚的情况且能提供更优异的性能。另有石墨烯的一些衍生物的吸附效果比石墨烯更好。
水是人类与生物体赖以生存和发展的必不可少的物质，但世界上可供我们人类利用的水资源缺很少。尽管如此，由于人类的活动还是使大量的污染物排入水体。造成本是极少的水资源加剧短缺，使得污水处理受到空前关注。人们在积极寻找污水处理的方法，这其中基于比表面积大、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及导电性好等优点，石墨烯不仅可很好的吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物，还可作为催化剂载体，催化水中污染物的降解，因而作为污水处理材料被人们广泛研究[1]。
二 石墨烯材料对重金属离子的吸附
基于碳纳米材料优异的物理性能及其在燃料电池氧化还原反应中发挥着优异的催化性能，研究者们尝试用石墨烯材料对有机污染物进行催化降解，做了一些卓有成效的研究。最近许多研究表明，通过杂原子掺杂，如N，B，S，P等的掺杂能够显著提高石墨烯的氧还原反应催化活性[2-5]。
重金属是具有潜在危害的污染物，它不能被微生物分解反而容易被生物体富集转化。20世纪50年代，由重金属污染的水体环境造成的“公害病”受到了人们极大的关注。近年来的研究表明，通过各种途径进入水体中的重金属主要通过吸附、沉淀等形式发生迁移转化。石墨烯材料尤其是掺杂修饰后的石墨烯复合材料因具有超大比表面积，取得了较好的吸附效果，甚至可以实现同时吸附多种重金属离子，在吸附剂领域具有较大的应用潜力。Wu 等[6]利用十六烷基三甲铵( CTAB) 对石墨烯进行改性，发现石墨烯材料可自发吸附金属铬，且最大吸附量可达 21．57 mg /g。Madadrang 等人[7]用乙二胺四乙酸（EDTA）对氧化石墨烯进行改性，且EDTA 本身也能与金属形成稳定的螯合剂，因而具有良好的吸附效果，研究表明修饰后的氧化石墨烯对 Pd2 + 的最大吸附量可达到 525 mg /g，比氧化石墨烯高了近2倍。此外，三维石墨烯在吸附性能上也具有很大的优势。Lei 等人[8]制备出的三维石墨烯材料，对 Cd2 + 、Pd2 + 和 Fe3 +的最大吸附量可分别高达 252．5、381．3 和 57．6 mg /g。Vilela 等[9]发明了一种氧化石墨烯基的微型机器人，可用来清理污染水域中的有毒重金属。研究表明，微型机器人在一个小时之内，能回收污染水域中 95% 的铅，而将回收的铅分离后微型机器人可再次利用。
三 石墨烯复合材料在有机污染物废水处理中的应用
随着现代工业的快速发展，大量有机废水排放成对水体造成严重污染，导致水质恶化严重的破坏水生态环境甚至危害人类健康。据中国染料工业协会统计，2018年我国生产染料149.19万t，在染料的生产和使用过程中大约有15%左右会损失会随着废水直接排入水体，会对水资源造成极大的污染。而且染料废水的色度较大、难脱色，生物降解性差，降解困难，并且这些染料废水具有化学稳定、成分和结构复杂，有些会对人体产生一定的伤害。当前染料废水常见的处理方法有吸附法、生物法、化学混凝法和膜分离法等，其中吸附法因对环境友好和操作方便等优点被广泛使用，石墨烯材料由于具有较大的比表面积、含丰富的活性基团是较理想的吸附材料。石墨烯材料可以用来吸附水体中的有机污染物如有机染料、酚类、原油等。
2013年，澳大利亚科廷大学王少彬课题组首次报道了还原氧化石墨烯可以催化过硫酸盐产生硫酸根自由基，应用于染料废水的催化脱色具有良好效果。刘兆平教授[10]利用甲酰胺作为驱动剂，通过加热的方式制备氮掺杂三维石墨烯材料。用其去除亚甲基蓝和罗丹明 B 的效率分别高达到96．8% 和94．6% 。
水体中的酚类污染物具有生物难降解性，且对生物个体有毒害作。用常规的水处理技术手段很难将其处理至排放标准以内，发展经济高效且环保的处理方法成为国内外研究的重点。Kong等人[11]以氮掺杂石墨烯作为催化剂，进行催化还原酚类污染物的实验，研究指出吸附是导致氮掺杂石墨烯非金属催化剂发挥作用的重要步骤。Sun及其研究团队[12]采用低温燃烧合成的氮掺杂石墨烯，并应用于苯酚的催化降解，研究表明氮掺杂石墨烯是能催化苯酚降解的一种高效绿色催化剂。
三维石墨烯不仅对有机染料、有机酚具有很好的吸附性，对油品也具有很高的吸附容量，这对水体中石油污染具有很高的应用价值。Ruoff等[13]利用水热成型制备海绵状结构的石墨烯; 然后去处理人工海水中的商业石油产品( 包括煤油、泵油、油脂和有机溶剂等) 来检验吸附性能。
研究结果表明，海绵状石墨烯材料吸收了超过本身重量86倍的油污，超过其他常用吸附剂的吸油能力。
四 结语
石墨烯结构独特性能优异且合成原料低廉易得。近年来，随着我国经济社会的高速发展，利用石墨烯具有巨大比表面积而展现出较强的吸附能力，对水环境中的重金属、有机污染物等具有良好的吸附能力，使石墨烯复合材料在污水处理中成为热点。不过石墨烯材料在吸附应用方面还处于研究探索阶段，还有许多问题亟需解决。如研究石墨烯材料的循环利用，吸附富集的同时考察解吸过程机理，改善石墨烯复合材料工艺降低材料成本。相信随着研究的深入、技术的进步，石墨烯材料必将在污水治理中显示巨大的应用潜力。
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作者简介：张姗姗（1987-），女，研究生，潍坊科技学院 助教,邮箱：zhangshanshan1819@163.com
咸傲（1999-），男，潍坊科技学院 农学与环境学院，学生
项目：潍坊科技学院2018年度课题（2018KJYB14）