新型石墨烯基材料在污水處理中的突破性應(yīng)用

林寶春，鐘永芬，陳學(xué)勤

（杭州益水環(huán)境工程有限公司，杭州 311200）

污水處理在環(huán)境保護(hù)、公共健康和可持續(xù)發(fā)展方面具有極高的應(yīng)用價值。首先，根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署數(shù)據(jù)，大約80%的全球污水未經(jīng)處理就被排放，導(dǎo)致水源和生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重污染，引發(fā)水體富營養(yǎng)化等問題[1]。其次，未處理的污水含有大腸桿菌和沙門氏菌等致病微生物，可能引發(fā)疾病暴發(fā)。最后，污水處理有助于資源回收，可將有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分用于農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)，減少對有限自然資源的依賴。

1 新型石墨烯基材料概述

1.1 立式石墨烯功能材料

立式石墨烯功能材料是一種新興材料，其石墨烯層以垂直方式排列，通常通過化學(xué)氣相沉積制備[2]。這種結(jié)構(gòu)賦予它高比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，它還具有豐富的官能團(tuán)，在吸附、催化、電子器件和傳感器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，已在氣體分離、電池電極、超級電容器和生物傳感器等領(lǐng)域取得顯著的研究進(jìn)展。

1.2 石墨烯氣凝膠材料

新型石墨烯氣凝膠材料是由石墨烯氣凝膠單體通過化學(xué)鍵或物理作用力相互連接形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)石墨烯材料具有更大的比表面積和更高的孔隙度。這些特性使它在吸附、儲能和傳感等領(lǐng)域具有巨大潛力，不僅能容納大量分子和離子，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，已在氣體吸附、超級電容器、傳感器、催化劑載體和藥物傳遞系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.3 三維石墨烯材料

三維石墨烯材料是由多層石墨烯片堆疊形成的立體結(jié)構(gòu)材料，具有高孔隙度和可調(diào)控表面性質(zhì)，這來源于其特殊的三維排列方式。這種材料不僅在催化、吸附和分離技術(shù)中展現(xiàn)出色性能，還在電子器件和熱管理領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力。其可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的官能團(tuán)讓其成為一個理想的選擇。它可用于有機(jī)污染物吸附、催化反應(yīng)和電池電極等方面，提供定制化的解決方案。

2 傳統(tǒng)石墨烯基材料在污水處理中存在的問題

2.1 物質(zhì)吸附能力的限制

首先是對有機(jī)染料的吸附能力受限，不能滿足高濃度廢水的處理需求[3]。其次，對多種重金屬離子的選擇性吸附能力較弱，使得其難以高效去除。最后，廢水中多種有機(jī)物和重金屬同時存在時，它們會在石墨烯基材料表面發(fā)生競爭吸附，降低去除效率。石墨烯與金屬離子的作用機(jī)理如圖1所示。

2.2 催化性能的不足

首先，有機(jī)物降解效率低，降解需要更高的溫度和更長的時間，而新型氧化劑則展示更好的催化效率。其次，重金屬離子的還原方面存在限制，表面活性位點(diǎn)有限導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移不足，以至于不能高效進(jìn)行重金屬離子的還原。最后，在處理含有多種污染物的廢水時，催化性能有限，可能出現(xiàn)選擇性降解某些物質(zhì)而忽略其他污染物的情況，從而影響廢水處理效果。催化降解機(jī)理如圖2所示。

圖2 催化降解機(jī)理

2.3 材料結(jié)構(gòu)的局限

首先，傳統(tǒng)石墨烯基材料表面活性位點(diǎn)不足，集中在邊緣和缺陷處，導(dǎo)致不能提供足夠的催化活性位點(diǎn)，以滿足復(fù)雜有機(jī)物降解的需求。其次，單一性限制其在處理不同種類廢水時的效率，特別是在去除含有微米級顆粒物的廢水時效率較低。最后，盡管表面修飾可以提高其性能，但由于石墨烯的平面結(jié)構(gòu)，這樣的修飾變得相對困難，容易導(dǎo)致聚集現(xiàn)象，降低材料的分散性和催化活性。

3 新型石墨烯基材料在污水處理中的突破性應(yīng)用

3.1 立式石墨烯功能材料在污水處理中的應(yīng)用

作為新型石墨烯基材料，立式石墨烯功能材料（VGBFMs）具有超強(qiáng)的物質(zhì)吸附能力，正革新污水處理領(lǐng)域，提供環(huán)保解決方案。VGBFMs 擁有垂直排列的石墨烯層，賦予其高比表面積、卓越的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性等特性，使其成為出色的污染物吸附劑[4]。它具有超過1 000 m2/g 的比表面積，吸附容量可達(dá)200 mg/g，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)活性炭材料，可用于去除重金屬離子、有機(jī)化合物和微生物。這一突破性材料在環(huán)保領(lǐng)域展示巨大的潛力和實(shí)用價值。

VGBFMs 具有獨(dú)特的垂直排列結(jié)構(gòu)和高比表面積等特性，已在污水處理領(lǐng)域展示出顯著的催化性質(zhì)。VGBFMs 被應(yīng)用于多種催化處理方案。一是有機(jī)物降解催化，其中VGBFM-Cu 催化劑在亞甲基藍(lán)的降解中展示顯著效果，提升降解速率超過50%；二是電化學(xué)催化，VGBFM-Pt 電催化劑在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異性能，擁有更低的電位和更高的電流密度；三是光催化，VGBFM-TiO2光催化劑在可見光下對甲基橙的降解表現(xiàn)突出，預(yù)示著環(huán)保光催化污水處理的可能性。研究表明，VGBFMs 在加快污水處理中污染物降解速率方面擁有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯光催化降解有機(jī)污染物的反應(yīng)機(jī)理如圖3所示。

圖3 石墨烯光催化降解有機(jī)污染物的反應(yīng)機(jī)理

3.2 石墨烯氣凝膠在污水處理中的應(yīng)用

石墨烯氣凝膠（Graphene Aerogel）具有高孔隙度與高吸附性能，在污水處理方面顯示出突破性應(yīng)用。高孔隙度和高吸附性能是其兩大核心特性，高孔隙度石墨烯氣凝膠（HPGA）孔隙度可大于90%，提供大表面積用于吸附廢水中的污染物。而高吸附性能石墨烯氣凝膠（HAPGA）可具有100～1 000 mg/g 的吸附容量，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，能夠高效吸附廢水中的有機(jī)物和重金屬離子。實(shí)際應(yīng)用中，在有機(jī)廢水處理中，HPGA 能將有機(jī)物質(zhì)的吸附率提升至90%以上，其吸附容量達(dá)400 mg/g。而在重金屬去除方面，HAPGA 可以成功將廢水中的重金屬離子去除至滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，其吸附容量在100～500 mg/g。

石墨烯氣凝膠具有輕質(zhì)與高強(qiáng)度特性。輕質(zhì)特性主要體現(xiàn)在極低的密度和高比表面積上，密度通常在5～50 mg/cm3，比表面積能夠超過1 000 m2/g，使其能夠輕松浮在水面并具有高效的吸附效率[5]。另外，其高強(qiáng)度特性主要展現(xiàn)在卓越的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性上，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到10～50 MPa，而在酸堿環(huán)境下的質(zhì)量損失低于5%。這些特點(diǎn)不僅降低材料的維護(hù)需求，還為污水處理提供更高效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。例如，輕質(zhì)的石墨烯氣凝膠可以用于制造石墨烯浮筒污水處理系統(tǒng)，其質(zhì)量只有傳統(tǒng)設(shè)備的10%，但吸附性能相似；而高強(qiáng)度的石墨烯氣凝膠可應(yīng)用于高強(qiáng)度石墨烯氣凝膠脫水系統(tǒng)，顯著提高污泥脫水效率，能將水分含量從80%降至30%以下。這些優(yōu)勢使石墨烯氣凝膠成為污水處理領(lǐng)域的強(qiáng)力助手。

3.3 三維石墨烯材料在污水處理中的應(yīng)用

三維石墨烯材料因其多孔結(jié)構(gòu)和高親水性，在污水處理中顯示出顯著的過濾性能，被視為解決傳統(tǒng)污水處理效率低和高投資問題的新方案。三維氧化石墨烯多孔膜（3D-GOF）已被開發(fā)，其孔隙直徑為400 nm，能夠過濾掉直徑20 nm 的顆粒，過濾效率可達(dá)99.9%，它已成功應(yīng)用于污水處理。三維石墨烯材料不僅可以提高過濾效率，還能降低能耗，在大規(guī)模污水處理中展示廣闊的應(yīng)用前景。

三維石墨烯材料具有污染物的選擇性吸附能力，能夠通過調(diào)整表面官能團(tuán)、孔隙大小和化學(xué)組成來實(shí)現(xiàn)對特定污染物的高效吸附。羧基官能團(tuán)功能化的三維石墨烯材料可用于吸附重金屬離子（如Pb2+和Ni2+），顯示出卓越的選擇性吸附能力。同樣，這種材料還可以用于有機(jī)污染物的選擇性吸附。此外，氧化程度較低的三維石墨烯材料表現(xiàn)出更高的親油性，可以實(shí)現(xiàn)95%以上的油污去除效果。總之，三維石墨烯材料在污水處理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

新型石墨烯基材料在污水處理中展現(xiàn)出突破性的應(yīng)用潛力，特別是立式石墨烯功能材料、石墨烯氣凝膠材料以及三維石墨烯材料。它們克服傳統(tǒng)石墨烯基材料存在的問題，具有超強(qiáng)的吸附能力、卓越的催化性質(zhì)、高孔隙度、輕質(zhì)與高強(qiáng)度特性、生物降解與短周期再生、可調(diào)控的表面性質(zhì)等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得新型石墨烯基材料在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，為解決環(huán)境污染問題和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。