人類工業(yè)化的進(jìn)程不斷加深，自然環(huán)境的自潔速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上人類各種污染的排放速率，環(huán)境污染問(wèn)題迫在眉睫。由于石墨烯具有比表面積大、吸附性能好、化學(xué)活性高等優(yōu)異性能，使其在環(huán)保領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，并得到專家學(xué)者們的廣泛研究。

一、石墨烯為什么具有吸附功能？

石墨烯具有超大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)成為其良好吸附性能的基礎(chǔ)。氧化石墨烯（MGO）是石墨烯的一種重要衍生物，是通過(guò)將濃硫酸或強(qiáng)氧化劑氧化后的石墨剝離而成，氧化石墨烯對(duì)污染物的吸附主要依賴于其自身帶有的含氧官能團(tuán)及芳烷基。

石墨烯結(jié)構(gòu)                                氧化石墨烯的機(jī)構(gòu)

1.從親、疏水性質(zhì)來(lái)說(shuō)，石墨烯材料對(duì)污染物的吸附可以分為親水吸附和疏水吸附。

氧化石墨烯的含氧官能團(tuán)主要是“親水基”更容易和親水物質(zhì)發(fā)生結(jié)合，易于同金屬硫化物、金屬原子、氧化物等結(jié)合形成氧化石墨烯插層復(fù)合材料，能夠有效吸附去除水中多種有毒有害污染物；而芳烷基主要是“疏水基”更傾向于和疏水物質(zhì)結(jié)合，能夠有效吸附油污等污染物。

2.從理化性質(zhì)來(lái)說(shuō)，石墨烯材料對(duì)污染物的吸附可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。

物理吸附：以分子間作用力為主的吸附，主要包括靜電作用、π-π堆疊、疏水作用、氫鍵和范德華力作用，這幾種吸附作用往往相伴產(chǎn)生。

化學(xué)吸附：以化學(xué)鍵為主的吸附，例如氧化石墨烯上的氧原子與金屬離子發(fā)生的絡(luò)合作用會(huì)促進(jìn)吸附發(fā)生。

二、石墨烯能吸附那些物質(zhì)？

研究表明，石墨烯及其復(fù)合材料可以吸附重金屬離子，染料、抗生素、殺蟲(chóng)劑、原油等。

石墨烯及其復(fù)合材料吸附污染物一覽表

1.吸附重金屬離子

重金屬在水中大多以離子形式存在，其中以陽(yáng)離子形式為主，如銅、鋅、鈷、鎳、鉛等，少部分以陰離子形式存在，如鉻、砷等。石墨烯材料處理重金屬?gòu)U水主要利用其比表面積大、吸附性能優(yōu)異的特點(diǎn)，吸附去除重金屬離子。

2.吸附有毒氣體

吸附法被認(rèn)為是一種最合理有效的治理空氣污染的方法，石墨烯吸附氣體分子主要依靠靜電吸附作用、色散相互作用、范德華力以及電荷轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的“三維石墨烯基口罩”，能夠有效去除（干、濕）空氣中的粉塵及PM2.5，權(quán)威檢測(cè)部門(mén)檢測(cè)PM2.5過(guò)濾效率達(dá)99.6%。另外，研究發(fā)現(xiàn)RGO/MnO2氣凝膠對(duì)低濃度甲醛具有較好的去除能力，去除率達(dá)62.5%。北京碳世紀(jì)科技有限公司利用石墨烯改性活性炭研發(fā)了空氣凈化器去除甲醛，在2小時(shí)內(nèi)對(duì)甲醛的吸附率高達(dá)97%以上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲醛的高效去除。

3.吸附抗生素

利用石墨烯改性二氧化鈦制備的復(fù)合材料對(duì)泰樂(lè)菌素進(jìn)行了吸附研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料對(duì)泰樂(lè)菌素的吸附容量隨著溶液pH值的增加而增加， 可能是靜電作用、范德華力、氫鍵、表面絡(luò)合等共同作用的結(jié)果。利用氧化還原法制備的石墨烯對(duì)四環(huán)素進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，吸附過(guò)程為自發(fā)的吸附反應(yīng)，對(duì)四環(huán)素的最大吸附量為467.6mg/g。利用氧化石墨烯對(duì)土霉素、強(qiáng)力霉素和四環(huán)素進(jìn)行吸附研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其飽和吸附量分別為212mg/g、398mg/g和313mg/g。

4.吸附染料

我國(guó)是紡織大國(guó)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的染料廢水。這些廢水大多較穩(wěn)定，不易生物降解，可長(zhǎng)時(shí)間存在，對(duì)人體健康和水體生態(tài)系統(tǒng)會(huì)造成巨大危害。研究結(jié)果結(jié)果表明，PVA/GO 復(fù)合水凝膠材料對(duì)亞甲基藍(lán)具有優(yōu)異的吸附性能，最大吸附量為716mg/g。而APAM/GO復(fù)合氣凝膠對(duì)堿性品紅的最大吸附容量達(dá)1034.3mg/g，這是材料豐富的多孔結(jié)構(gòu)和多官能團(tuán)共同作用的結(jié)果。

5.吸附油污

石墨烯對(duì)油污也有良好的吸附性能。研究人員制備了一種形狀可塑多孔且可循環(huán)利用的石墨烯海綿，不僅對(duì)石油和脂肪有著高效的吸附能力，而且對(duì)有毒溶劑甲苯和氯仿的吸附量可達(dá)自身重量的86倍，高于傳統(tǒng)吸附材料的10倍。

三、小結(jié)

在過(guò)去的十多年中，石墨烯由于具有獨(dú)特性能，使其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大突破。隨著石墨烯制備成本的降低以及相關(guān)吸附、光催化機(jī)理的深入研究，石墨烯將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用于水污染處理、海水淡化、飲用水凈化、大氣污染治理與檢測(cè)以及環(huán)境修復(fù)等環(huán)保領(lǐng)域，勢(shì)必會(huì)迎來(lái)更多的工業(yè)化應(yīng)用和更廣闊的市場(chǎng)。

參考資料

1.黃安濤等，《石墨烯在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用》；

2.陳賡，《石墨烯的吸附性能在環(huán)保中的應(yīng)用》