石墨烯材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用展望

周世嘉 徐智陽(yáng)

摘 要：自本世紀(jì)初石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其分子結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有超大的比表面積、吸附性能優(yōu)異、潛在理論研究?jī)r(jià)值高、市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊而備受關(guān)注。本文首先概述了石墨烯及其制備方法，進(jìn)而著重論述了石墨烯及其復(fù)合材料作為吸附劑，在重金屬、染料、有害氣體、油污、殺蟲(chóng)劑和抗生素等污染物去除方面的應(yīng)用進(jìn)展，最后對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料在污染物吸附去除方面的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：石墨烯；吸附；污染物

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題始終伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不斷涌現(xiàn)，環(huán)境污染物的種類和處理、處置難度也不斷增加，各類污染物長(zhǎng)期威脅著廣大人民群眾的身體健康乃至生命安全，因此，對(duì)于環(huán)境污染的治理刻不容緩。

吸附是化學(xué)物質(zhì)在兩個(gè)毗鄰相界面之間的富集過(guò)程。吸附法一直是污染物去除領(lǐng)域的重要方法，而吸附劑是吸附法的核心材料。環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域常用的吸附劑包括活性炭、離子交換樹(shù)脂、硅膠、硅藻土等[1]，這些吸附劑長(zhǎng)久以來(lái)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，但其廣泛存在吸附速率慢、不易降解，容易產(chǎn)生二次污染的缺點(diǎn)和不足。為了克服以上缺點(diǎn)，近年來(lái)石墨烯以比表面積大、易于修飾和改性并可通過(guò)氧化、接枝等手段引入多種官能基團(tuán)的顯著優(yōu)點(diǎn)，引起了研究者的廣泛關(guān)注。

1 石墨烯及制備方法

石墨烯（Graphene）是由石墨衍生出來(lái)的一種具有二維結(jié)構(gòu)的晶體材料，其整體都是由碳原子所組成，在這之前，科學(xué)界普遍認(rèn)為二維納米材料是無(wú)法存在的[2]。直到2004年，曼徹斯特大學(xué)的諾沃與海姆兩個(gè)人第一次從石墨中分離得到石墨烯[3，4]，自此，石墨烯開(kāi)始得到了全球的廣泛關(guān)注，而基于石墨烯設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的材料在吸附劑、生物傳感、催化等領(lǐng)域也均有大量的報(bào)道。石墨烯隨著制備方法的發(fā)展，目前可以通過(guò)機(jī)械剝離、化學(xué)氣相沉積、外延晶體生長(zhǎng)（加熱SiC）、淬火、及氧化-還原五種方法來(lái)制備。

2 石墨烯材料在污染物吸附中的應(yīng)用

目前報(bào)道的炭黑和碳納米管比表面積約為100～1000 m2/g，石墨烯的比表面積遠(yuǎn)大于二者，這使其在環(huán)境吸附領(lǐng)域具有重大的潛在應(yīng)用前景。近年來(lái)，作為吸附劑，石墨烯類材料在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用獲得了研究人員的廣泛關(guān)注，被具體應(yīng)用于重金屬離子、染料、有害氣體、油污、殺蟲(chóng)劑等污染物的去除中。

2.1對(duì)重金屬的吸附

重金屬離子污染物具有很大的毒性、而且該類污染物分布較廣、含量低且不容易被分解；由于其會(huì)長(zhǎng)期在環(huán)境中分散存在，植物會(huì)通過(guò)生物富集作用將其吸收，然后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人類的生存和健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，對(duì)環(huán)境樣品、生物樣品中的重金屬離子的深度處理就顯得十分有意義。對(duì)于石墨烯材料在重金屬吸附方面的研究應(yīng)用在近年來(lái)被許多學(xué)者所關(guān)注。石墨烯對(duì)重金屬的吸附能力是不同的，Park等研究發(fā)現(xiàn)石墨烯對(duì)重金屬陽(yáng)離子吸附能力影響順序?yàn)椋篎e3+ > Cr3+ > Zn2+ > Pb2+ > Cu2+；而如果是在環(huán)境中，其順序又變?yōu)镕e3+ > Zn2+ > Cu2+ > Cr3+ > Pb2+。Xie研究表明巰基乙胺能夠與GO（氧化石墨[Graphite Oxide]）表面的環(huán)氧基發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后巰基乙胺可以聯(lián)結(jié)到石墨烯的外表面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此時(shí)的石墨烯對(duì)Hg2+具有吸附性能，就因?yàn)槠渫獗砻孢B有巰基乙胺。

2.2 對(duì)染料的吸附

染料在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)生活中被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)其又具有肉眼可見(jiàn)性，所以石墨烯對(duì)染料的吸附作用也得到了廣泛的應(yīng)用研究。

在石墨烯對(duì)染料的吸附應(yīng)用研究方面，Liu等通過(guò)用Langmuir模型擬合，研究發(fā)現(xiàn)GO對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量為750 mg/g。把GO海綿用于甲基紫的吸附，發(fā)現(xiàn)GO海綿的吸附量達(dá)到了386 mg/g，比單純的GO吸附量要少很多。Peng等制備了包含石墨烯的生物碳，發(fā)現(xiàn)比單純的生物碳對(duì)亞甲基藍(lán)有更高的吸附量。

此外，石墨烯在其他一些染料的吸附應(yīng)用中也有部分研究。石墨烯殼聚糖的多孔結(jié)構(gòu)可以吸附活性黑；GO包裹的沙子可以處理羅丹明B；還有一種材料叫石墨烯海綿，它也能夠很好的處理羅丹明B；石墨烯-CNT氣凝膠也是一種良好的材料，其可以吸附羅丹明B、亞甲基藍(lán)和酸性復(fù)紅等。

2.3 對(duì)有害氣體的吸附

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的不斷發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求不斷增大，面對(duì)這個(gè)難題，世界各國(guó)一方面尋求新型能源的替代；在另一方面就是尋找更高效環(huán)保的吸附材料以此來(lái)吸附有害的氣體。

Wang在其論文中采用巨正則蒙特卡洛法模擬對(duì)比了金屬有機(jī)骨架化合物、共價(jià)有機(jī)骨架化合物和氧化石墨烯材料對(duì)汽車、工廠尾氣（CO、NO、NO2）的吸附能力；Wu等研究了石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料對(duì)NH3的吸附性能，其最低檢測(cè)濃度為0.9 ppm；Zhao等則證實(shí)了相比石墨烯而言，摻雜了鈣、鈷、硅和鐵等原色的石墨烯對(duì)H2S氣體更具有親和力。

2.4 對(duì)油污的吸附

現(xiàn)代生活離不開(kāi)石油，而我們經(jīng)常會(huì)看到新聞報(bào)道原油污染，前幾年的渤海灣石油泄漏污染，給我們的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的災(zāi)難性后果，而石墨烯的天然疏水本質(zhì)使得石墨烯吸附劑能夠很好的處理石油污染。Bi等得到的RGO海綿可以吸附很多油類污染物，比如辛烷、泵油和花生油等；石墨烯可以吸附橄欖油和汽油等；石墨烯海綿可以吸附正庚烷、柴油、煤油等，實(shí)驗(yàn)表明每克石墨烯海綿對(duì)以上油類的吸附量一般為35-50g左右，相比來(lái)說(shuō)其對(duì)油污的吸附能力和吸附量已經(jīng)相當(dāng)可觀。

2.5 對(duì)殺蟲(chóng)劑以及其他污染物的吸附

日常生活中我們常見(jiàn)的環(huán)境污染物也包括殺蟲(chóng)劑、抗生素等，石墨烯及其復(fù)合材料的吸附能力同樣對(duì)這些污染物具有相當(dāng)強(qiáng)的吸附力。殺蟲(chóng)劑的成分中最常見(jiàn)的是毒死蜱、硫丹、馬拉硫磷等。GO和RGO均可以對(duì)這些殺蟲(chóng)劑有害物質(zhì)進(jìn)行吸附處理，Maliyekkal等發(fā)現(xiàn)RGO對(duì)毒死蜱、硫丹、馬拉硫磷三種殺蟲(chóng)劑的吸附能力分別是1250mg/g、1100mg/g、750mg/g，可以看出其吸附能力相當(dāng)強(qiáng)大。

3 結(jié)論

現(xiàn)如今，將石墨烯和其他復(fù)合材料作為吸附劑，用以處理各類污染物具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，如何對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾以及復(fù)合，制備得到對(duì)目標(biāo)污染物具有更高吸附效果的材料仍有待更多的發(fā)掘和研究。值得注意的是，有研究表明石墨烯對(duì)人類具有潛在的毒性，同時(shí)氧化之后的石墨烯具有不容易下沉的特點(diǎn)。它會(huì)黏貼在逐漸腐爛的動(dòng)植物產(chǎn)生的有機(jī)物上。因此，在享受石墨烯及其復(fù)合材料給我們帶來(lái)益處的同時(shí)，還要考慮其可能帶來(lái)的危害！

參考文獻(xiàn)

[1]劉明華，水處理化學(xué)品[M].化學(xué)工業(yè)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(jiǎn)介

周世嘉（1984-），男，碩士，工程師。主要從事環(huán)境科研、環(huán)境規(guī)劃工作。E-mail：zsj1984111@126.com。

注釋：

1.汪涌豪：《中國(guó)文學(xué)批評(píng)范疇及體系》，復(fù)旦大學(xué)出版社2007年版，第215頁(yè)。

2.王宏林：《沈德潛詩(shī)學(xué)思想研究》，人民出版社2010年版，第198頁(yè)。

3.陳文新：《明代詩(shī)學(xué)》，長(zhǎng)沙：湖南人民出版社2000年版，第259頁(yè)。

4.查清華：《格調(diào)論的思維模式》，載《社會(huì)科學(xué)戰(zhàn)線》2006年第6期。

5.《禮記正義》卷五十，上海古籍出版社1997年影印阮刻《十三經(jīng)注疏》本，第1609頁(yè)。

6.吳兆路：《沈德潛“溫柔敦厚”說(shuō)新解》，《文化遺產(chǎn)》1997年第四期，第91頁(yè)。

（作者單位：撫順市環(huán)境科學(xué)研究院）