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

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構，這一點成為其良好吸附性能的基礎。氧化石墨烯（MGO）是石墨烯的一種重要衍生物，是通過將濃硫酸或強氧化劑氧化后的石墨剝離而成，氧化石墨烯對污染物的吸附主要依賴于其自身帶有的含氧官能團及芳烷基。

石墨烯結構                                氧化石墨烯的機構

1.從親、疏水性質來說，石墨烯材料對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主要是“親水基”更容易和親水物質發(fā)生結合，易于同金屬硫化物、金屬原子、氧化物等結合形成氧化石墨烯插層復合材料，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結合，能夠有效吸附油污等污染物。

2.從理化性質來說，石墨烯材料對污染物的吸附可以分為物理吸附和化學吸附。

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。

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

二、石墨烯能吸附那些物質？

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

石墨烯及其復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廢水主要利用其比表面積大、吸附性能優(yōu)異的特點，吸附去除重金屬離子。

2.吸附有毒氣體

吸附法被認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移來實現(xiàn)。我國科學家發(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，權威檢測部門檢測PM2.5過濾效率達99.6%。另外，研究發(fā)現(xiàn)RGO/MnO2氣凝膠對低濃度甲醛具有較好的去除能力，去除率達62.5%。北京碳世紀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小時內(nèi)對甲醛的吸附率高達97%以上，實現(xiàn)了對甲醛的高效去除。

3.吸附抗生素

利用石墨烯改性二氧化鈦制備的復合材料對泰樂菌素進行了吸附研究，結果發(fā)現(xiàn)，復合材料對泰樂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、表面絡合等共同作用的結果。利用氧化還原法制備的石墨烯對四環(huán)素進行吸附實驗，結果顯示，吸附過程為自發(fā)的吸附反應，對四環(huán)素的最大吸附量為467.6mg/g。利用氧化石墨烯對土霉素、強力霉素和四環(huán)素進行吸附研究，結果發(fā)現(xiàn)其飽和吸附量分別為212mg/g、398mg/g和313mg/g。

4.吸附染料

我國是紡織大國，每年都會產(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，可長時間存在，對人體健康和水體生態(tài)系統(tǒng)會造成巨大危害。研究結果結果表明，PVA/GO 復合水凝膠材料對亞甲基藍具有優(yōu)異的吸附性能，最大吸附量為716mg/g。而APAM/GO復合氣凝膠對堿性品紅的最大吸附容量達1034.3mg/g，這是材料豐富的多孔結構和多官能團共同作用的結果。

5.吸附油污

石墨烯對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，不僅對石油和脂肪有著高效的吸附能力，而且對有毒溶劑甲苯和氯仿的吸附量可達自身重量的86倍，高于傳統(tǒng)吸附材料的10倍。

三、小結

在過去的十多年中，石墨烯由于具有獨特性能，使其在環(huán)保領域的應用取得了巨大突破。隨著石墨烯制備成本的降低以及相關吸附、光催化機理的深入研究，石墨烯將會越來越多地被應用于水污染處理、海水淡化、飲用水凈化、大氣污染治理與檢測以及環(huán)境修復等環(huán)保領域，勢必會迎來更多的工業(yè)化應用和更廣闊的市場。

參考資料

1.黃安濤等，《石墨烯在環(huán)保領域的應用》；

2.陳賡，《石墨烯的吸附性能在環(huán)保中的應用》