氧化石墨烯及其復(fù)合材料在污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

王 磊

（天津聯(lián)達(dá)市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，天津 300384）

0 前言

石墨烯（GN）是由單層sp2雜化的碳原子以化學(xué)鍵連接，呈蜂巢晶格排列的穩(wěn)定六邊形平面二維納米材料，Geim和Novoselov在2004年以膠帶不斷剝離石墨晶體的方式首次獲得了石墨烯，石墨烯由于其優(yōu)異的理化性質(zhì)，受到廣泛關(guān)注。氧化石墨烯作為石墨烯的一種衍生物，含有環(huán)氧基、羰基、羧基[1]等多種官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可作為反應(yīng)活性點(diǎn)，使GO成為有效的催化劑載體，此外這些官能團(tuán)可以加強(qiáng)與污染物的理化反應(yīng)，從而提高對污染物的吸附能力。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水的排放使得環(huán)境受到污染的巨大挑戰(zhàn)，促使大量污水處理技術(shù)得到應(yīng)用。同時(shí)相關(guān)研究人員也在不停探索能夠提高污水處理效率和成本的新材料，GO及其復(fù)合材料在水處理方面應(yīng)用潛力巨大。本文從GO作為催化劑載體對水中污染物的降解和GO復(fù)合材料作為吸附劑在有機(jī)物和重金屬吸附方面做出論述，并提出展望。

1 GO作為催化劑載體對有機(jī)物的降解

GO具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，可以作為催化劑載體，由于其豐富的親水性官能團(tuán)，使得GO及其復(fù)合材料在水中均勻分布，提高反應(yīng)速率。在處理油污廢水、制藥廢水、染料廢水方面得到應(yīng)用。

其中李成希等[2]以GO/Fe3O4/ZnO復(fù)合材料為催化劑降解苯酚，在GO/Fe3O4/ZnO投加量為200mg/L，H2O2投加量為12mmol/L，pH=7.2的條件下，利用該復(fù)合材料對苯酚質(zhì)量濃度為88.85mg/L的油田廢水進(jìn)行光催化Fenton降解，60min后，苯酚降解率可達(dá)98%。張虹等[3]以TiO2/GO復(fù)合材料作為催化劑對制藥廢水進(jìn)行光催化處理，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得，GO的成功負(fù)載對納米TiO2粉體的催化效率有顯著影響，TiO2/GO復(fù)合物對制藥廢水的色度降解在30min時(shí)可以達(dá)到95%以上，180min時(shí)COD去除率可達(dá)78%。王君等[4]以Co3O4/GO/氧化纖維素復(fù)合材料為催化劑對染料廢水進(jìn)行降解研究，當(dāng)酸性橙Ⅱ初始摩爾濃度為0.2mmol/L，單過硫酸氫（PMS）投加量為2.00mmol/L，Co3O4／GO／氧化纖維素投加量為0.50g/L，溫度為25℃，pH=7時(shí)，酸性橙Ⅱ可在6min內(nèi)完全降解。

這是由于氧化石墨烯具有豐富的親水基團(tuán)，能夠使GO與其復(fù)合材料在水中均勻分布，另外GO本身具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和強(qiáng)大的比表面積非常適合以催化劑載體的形式承載催化劑，同時(shí)其本身的載流子速度快，對催化劑的催化過程也起到一定的促進(jìn)作用，因此才會在油污廢水、制藥廢水以及染料廢水處理上有突出應(yīng)用。

2 GO復(fù)合材料對污染物的吸附

2.1 GO復(fù)合材料對有機(jī)物的吸附

GO比表面積大，并且存在大量的官能團(tuán)使其對有機(jī)物的存在大量的吸附位點(diǎn)，可以單獨(dú)作為吸附劑。與此同時(shí)，一些納米金屬和巖石類材料，具有表面積大，吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是分散性差、易團(tuán)聚，無法單獨(dú)做吸附劑，GO具有機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以作為吸附劑載體與上述材料制備GO復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)充分利用不同材料的吸附性能。GO復(fù)合材料在處理抗生素廢水和染料廢水得到大量應(yīng)用。

姜鵬等[5]以氧化石墨烯負(fù)載零價(jià)納米鐵吸附水中環(huán)丙沙星，對環(huán)丙沙星的最大吸附量是656.66mg·g-1。賀瓊等[6]使用氧化石墨烯／硅藻土復(fù)合材料吸附廢水中的亞甲基藍(lán)，的最大吸附量為125mg/g。

2.2 GO復(fù)合材料對重金屬的吸附

GO表面的官能團(tuán)與金屬離子可以發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，使其對金屬離子吸附性能增強(qiáng)。GO可與吸附能力強(qiáng)的有機(jī)物或者無機(jī)物組成復(fù)合材料，充分發(fā)揮各自的吸附性能，提高對金屬離子的吸附能力。對Cd（Ⅱ）、銅離子和Cr(VI)具有較好的吸附效果。

李仕友等[7]利用GO/SiO2復(fù)合材料對Cd（Ⅱ）的吸附，當(dāng)吸附時(shí)間為100min，投加量為0.25g/L，溶液pH為8.5時(shí)，氧化石墨烯/SiO2吸附Cd（Ⅱ）效果最佳。FTIR、SEM等結(jié)果表明，GO/SiO2吸附Cd（Ⅱ）前后自身結(jié)構(gòu)并未產(chǎn)生變化，其對Cd（Ⅱ）具有很好的吸附效果。賀瓊等[8]利用氧化石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料吸附銅離子，復(fù)合材料的最佳吸附條件為pH=9，用量為20mg，吸附時(shí)間為10min，吸附率達(dá)88%。王敏等[9]使用殼聚糖/GO復(fù)合材料對Cr(VI)進(jìn)行吸附研究，結(jié)果表明:Cs含量為GO質(zhì)量的10%、溶液pH為2.00、Cr(VI)初始濃度為100mg/L時(shí)吸附效果最好。吸附平衡時(shí)間為150min。Langmuir吸附等溫模型和擬二級吸附動力學(xué)方程能較好的擬合該吸附過程，該材料經(jīng)過4次吸附-解吸循環(huán)吸附試驗(yàn)后，仍保持一定的吸附性能。因此，Cs/GO復(fù)合材料可用于含Cr(VI)廢水的處理。

3 結(jié)論與建議

氧化石墨烯（GO）由于具有電子遷移率高、比表面積大、表面含氧官能團(tuán)豐富等優(yōu)異特質(zhì)，使其作為催化劑載體和吸附劑方面具有很大優(yōu)勢，GO可與化合物制作復(fù)合材料，增強(qiáng)其吸附能力，使得GO及其復(fù)合材料在污水處理中具有巨大的應(yīng)用潛力，在具體應(yīng)用方面提出以下幾點(diǎn)建議。

（1）相關(guān)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段以處理模擬廢水為主，與處理實(shí)際廢水過程中會出現(xiàn)差異，應(yīng)加強(qiáng)對真實(shí)廢水的研究，并且放大實(shí)驗(yàn)規(guī)模，為進(jìn)入工業(yè)化階段進(jìn)一步明確相關(guān)參數(shù)。

（2）在應(yīng)用過程中，材料回收難度大，易對環(huán)境造成污染，同時(shí)產(chǎn)生浪費(fèi)，需開發(fā)磁性材料，提高材料的回收利用率。

（3）開發(fā)出生產(chǎn)成本低、處理效率高、無污染的復(fù)合材料是未來研究的重點(diǎn)。

[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，吳坤坤，孟祖超，等.GO/Fe3O4/ZnO的制備及其光助Fenton降解苯酚[J].工業(yè)水處理，2017，37（2）：51-55.

[3]張虹，汪恂，朱雷，等.TiO2/GO納米復(fù)合材料對制藥廢水的光催化處理[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2017，43（10）：1-3.

[4]王君，Asif Hussain，李登新，等.易回收Co3O4／氧化石墨烯／氧化纖維素的制備及對染料降解的研究[J].環(huán)境污染與防治，2017，39（12）：1337-1342.

[5]姜鵬，李一兵，童雅婷，等.氧化石墨烯負(fù)載零價(jià)納米鐵吸附水中環(huán)丙沙星的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（7）：2443-2450.

[6]賀瓊，李智利，傅春霞.氧化石墨烯／硅藻土復(fù)合材料的制備及去除廢水中亞甲基藍(lán)的應(yīng)用[J].化學(xué)世界，2017（5）：268-274.

[7]李仕友，熊凡，王亮，等.氧化石墨烯/SiO2復(fù)合材料對Cd（Ⅱ）的吸附[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017,34（6）：1205-1211.

[8]賀瓊，祁秀秀，趙歡迎.氧化石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料的制備及其吸附銅離子應(yīng)用研究[J].化工新型材料，2016，44（10）：141-143.

[9]王敏，陳愛俠，陳貝.殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合材料對Cr(VI)吸附性能研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2018，44（2）：51-56.