淺析石墨烯類材料在水處理和地下水修復(fù)中的應(yīng)用

趙衛(wèi)芳

【摘要】作為一種性質(zhì)優(yōu)異的吸附材料，石墨烯類材料對(duì)有機(jī)物和重金屬等多種水污染物均有出色的吸附能力，因此其在水處理和地下水修復(fù)工作中的應(yīng)用前景在近幾年備受關(guān)注.當(dāng)前的研究總體上尚停留在實(shí)驗(yàn)室模擬階段，在提高材料飽和吸附量的同時(shí)，研制出低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)、易于再生利用且環(huán)境友好的石墨烯類材料是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】石墨烯；吸附材料；水處理；地下水修復(fù)

一、石墨烯的結(jié)構(gòu)及性能

（一）石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯是單層碳原子以六方晶格排布的二維蜂窩狀新型碳材料，具有非常好的電學(xué)性能及結(jié)晶性能，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料（如零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨）的基本單元。當(dāng)石墨烯晶格中有五元環(huán)晶格存在時(shí)，石墨烯片層產(chǎn)生翅曲，有12個(gè)以上五元環(huán)晶格存在時(shí)會(huì)形成零維的富勒烯；當(dāng)石墨烯以其面上的一點(diǎn)為周卷曲一圈時(shí)，就會(huì)卷成無(wú)縫的一維碳納米管；當(dāng)石墨烯六角網(wǎng)面之間通過(guò)π電子相互作用就會(huì)堆垛成三維的石墨。

（二）石墨烯的性能

石墨烯的這種獨(dú)特的單層分子結(jié)構(gòu)決定了它一些特有的物理、化學(xué)性能。石墨烯具有穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，這使得它具有非常好的導(dǎo)熱性能，有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)得石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)到5000W/（m·K），禁帶寬度幾乎為零，遠(yuǎn)高于在室溫下測(cè)得的金屬銅的熱導(dǎo)率[400W/（m·K）]，甚至也高于金剛石和碳納米管的熱導(dǎo)率。與普通金屬材料熱脹冷縮的性質(zhì)不同，石墨烯的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。石墨烯也具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是目前世界上已知材料中最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，其斷裂強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）為42N/m2。石墨烯的電阻率約為10-6Ω·cm，比金屬銅或銀低很多，是目前所有已知材料中在室溫下具有最低電阻的材料，石墨烯的導(dǎo)電密度是銅的100萬(wàn)倍。石墨烯這種優(yōu)異的導(dǎo)電性能將會(huì)在微電子領(lǐng)域發(fā)揮巨大的潛力，研究人員把石墨烯看作是硅的替代品，未來(lái)將應(yīng)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)。

二、石墨烯類材料在水處理中的應(yīng)用

（一）有機(jī)物

石墨烯類材料含有大量的碳六元環(huán)且表面能連接各種豐富的官能團(tuán)，因此能通過(guò)靜電吸引、π-π堆積作用、氫鍵作用、分子間作用力和疏水作用與常見(jiàn)的有機(jī)污染物例如染料、抗生素、多環(huán)芳烴、油污等發(fā)生相互作用，從而起到凈化水質(zhì)的作用。染料廢水主要來(lái)源于紡織、皮革、造紙、醫(yī)藥和食品行業(yè)，因其高毒性、致癌、難以被生化降解等特點(diǎn)對(duì)環(huán)境和人體健康造成威脅。據(jù)報(bào)道每年有超過(guò)70萬(wàn)t的有機(jī)染料被生產(chǎn)，大部分染料在工業(yè)廢水中經(jīng)過(guò)沉積作用后最終排入水系。

（二）重金屬

近年來(lái)，冶金、金屬電鍍、采礦、陶瓷和電池制造企業(yè)向水環(huán)境排入大量含有重金屬離子的工業(yè)廢水，造成水體重金屬污染。這些重金屬離子具有高毒性、難降解、易生物累積的特點(diǎn)，因此必須在排放前進(jìn)行處理。石墨烯類材料在處理重金屬污染方面的應(yīng)用潛力也受到學(xué)者們的關(guān)注。石墨烯類材料吸附重金屬離子的作用機(jī)理主要為靜電相互作用、離子交換和表面絡(luò)合作用。Xu等報(bào)道了一種將乙酰丙酮作為還原劑和穩(wěn)定劑將GO還原成水溶性石墨烯的方法，這種方法環(huán)境友好且反應(yīng)條件溫和，對(duì)Cd2+的最大吸附量為49.28mg/g，為碳納米管的4.5倍，對(duì)Co2+的最大吸附量為27.78mg/g，為T(mén)iO2納米顆粒的3.6倍。Zhang等通過(guò)改進(jìn)的hummers法制備出聚乙烯吡咯烷酮（PVP）與還原氧化石墨烯的復(fù)合材料（PVP-RGO），在初始pH值3.5時(shí)充分?jǐn)嚢?0min后對(duì)Cu2+的最大吸附量達(dá)到1689mg/g，密度泛函理論解釋了吸附機(jī)理，PVP-RGO上的碳原子通過(guò)物理吸附將Cu2+吸附到RGO表面，Yusuf等將十二烷基硫酸酯鏈（SDS）經(jīng)疏水作用固定在GN表面制成GN-SDS復(fù)合材料，其對(duì)Cu2+和Mn2+的最大吸附量分別為369.16和223.67mg/g，經(jīng)過(guò)連續(xù)5次吸附循環(huán)后，吸附效率降低30%～33%。吸附過(guò)程主要受GN-SDS表面的電子受體復(fù)合物和金屬離子之間的靜電相互作用支配。

三、石墨烯類材料在地下水污染修復(fù)中的應(yīng)用

原位修復(fù)技術(shù)主要有生物修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、空氣擾動(dòng)技術(shù)、滲透反應(yīng)格柵技術(shù)（PRB）等，GN作為一種物理吸附劑并不能與污染物進(jìn)行直接的生物或化學(xué)反應(yīng)。因此，在眾多地下水原位修復(fù)技術(shù)中，石墨烯類材料最有可能應(yīng)用在PRB技術(shù)中，即將其作為吸附材料置于PRB中或通過(guò)直接注入到受污染的地下水的方式進(jìn)行修復(fù)。

在地下水修復(fù)方面，石墨烯類材料的研制需要結(jié)合和充分考慮地下水污染場(chǎng)地的實(shí)際條件。地下水原位修復(fù)技術(shù)難度大，主要原因在于野外實(shí)際場(chǎng)地條件比實(shí)驗(yàn)室模擬的要復(fù)雜，而且條件難以控制甚至不可控，因此在實(shí)驗(yàn)室已成功研制甚至在水處理工程中已成功應(yīng)用的修復(fù)材料，在地下水原位修復(fù)時(shí)未必可行，石墨烯類材料也不例外。

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