石墨烯的吸附性能在环境保护中的应用
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摘要：石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，因其巨大的比表面积、强烈的表面化学活性，故而具有良好的吸附性能，也被广泛地应用于环境保护领域。通过介绍石墨烯的概念，研究其对重金属、染料、大气污染物的吸附性能，分析其在实际应用中的优缺点，进而总结石墨烯的吸附性能在环保方面的应用，并提出展望。
关键词：石墨烯 吸附 环境保护
中图分类号：X74 X55 TQ424 文献标识码：A 文章编号：1009—5349（2019）20—0253—02
随着城市化进程的发展，越来越多的有毒有害物质污染着人类生活的环境，影响着人的健康。为了改善环境，人们不断探索新的处理技术，研发新的处理材料。吸附法作为环境治理物理化学法中的一种，具有成本低、操作简单易行等特点，比较适合处理水体和大气污染物。石墨烯材料是碳元素家族的一员，由于其优质的结构特点而具有良好的吸附性能，已被广泛地应用于水体环境和大气环境的治理中。
一、石墨烯的概念
石墨烯原本存在于自然界中，但是难以剥离出单层结构。2004年，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃消洛夫第一次通过机械剥离的方式将单层的二维碳纳米材料从石墨后层中剥离出来，从此，石墨烯诞生。在此之后，石墨烯的制备方法层出不穷。可以将石墨烯看作沿着二维方向无限延伸的单原子层的石墨，它是由碳原子以sp?杂化轨道紧密堆积而成的六角形，呈蜂窝状的二维碳纳米材料，理论上，其比表面积可高达2600㎡/g，0.335nm是它的理想厚度，同时也是目前可知的最薄的二维晶体材料，它独有的结构特点赋予了它优异的性能，如电学、热学、光学等特性，这些特性已将石墨烯推入各研究领域，成为科学技术界新宠。
二、石墨烯的吸附性能
随着人口的激增，科技、工业、经济的迅猛发展，环境问题日益突出，环境污染的治理与保护已到了刻不容缓的地步。石墨烯由于具有巨大的比表面积、强大的吸附性能而被用作吸附剂，来处理水中的重金属离子、染料和大气污染物等。
1.石墨烯对水中重金属离子的吸附
工业的崛起，GDP的增长，也产生了大量的重金属离子排向水体，污染水体，影响水生生物和人类的健康。重金属是水体污染的主要污染物之一，其主要以离子形式存在，其中以阳离子形式存在的重金属占据大多数，如重金属铜、锌、铅等，其他少数以阴离子形式存在于水体中，如重金属铬、砷等。专家们为了进一步研究石墨烯对水体中重金属离子的吸附效果，做了大量的比照实验。刘伟等利用氧化石墨烯来吸附水体中的六价铬离子，通过测试，其吸附效果可达到黏土吸附效果的2倍以上，除此以外，它还能在酸性的环境条件下保持一定的稳定性，完成吸附后，可用氢氧化钠溶液将其解吸再生，进而重复利用，降低成本。冯东燕等通过研究石墨烯对水体中锌离子的吸附性能，得出石墨烯作为吸附剂对锌离子吸附的最大容量可达到345mg/g，应进一步开展石墨烯材料对重金属离子吸附作用的研究，挖掘其最大潜能。吴庭芳等利用石墨烯基的复合材料分析了重金属铅的吸附性能，结果表明，其吸附率高达95%以上，且吸附效果基本不会受pH值影响，可广泛应用于多种环境的吸附。
2.石墨烯对染料的吸附
我国是纺织大国，印染行业是工业中的排污大户，在印染废水的诸多组分中，染料是最主要的污染物之一。印染废水化学性质较稳定，可以长期存在于自然环境中，对生态系统、动植物以及人的健康造成一定的危害，需要通过物理、化学、生物方法进行一系列的处理。为了更好地解决印染废水中染料对环境的破坏问题，科研工作者们正在探索石墨烯材料对染料的吸附性能。
张秀荣等利用石墨烯吸附水中的刚果红染料，其吸附效果可达到287.6mg/g，超过传统的活性炭吸附剂的吸附效率2-5倍，其吸附时间更短，7小时内可达到吸附平衡;吴艳等将石墨烯改性，然后研究其对染料亚甲基蓝的吸附，结果显示其吸附率高达95%以上，且吸附效果不受pH值变化的影响，由此可见，该吸附剂不仅可以高效去除水体中的亚甲基蓝染料，同时可以认定为其受环境因素的影响较小，吸附性能较稳定，在酸碱水体中均可以发挥吸附作用，普遍性较强，具有很大的实用价值;刘泽玲等、Cheng等分别对石墨烯进行改性，制备出一种磁性氧化石墨烯复合材料，并进行水中甲基橙、中性红、亚甲基蓝和甲基紫吸附性能研究。通过实验可知，石墨烯复合材料对水中阳离子吸附效果要好于阴离子的吸附效果，其主要原因是氧化石墨烯复合材料的含氧基团带负电，易于吸附阳离子。改性的石墨烯基的吸附剂，不仅具有高效的吸附效果，还由于其具有磁性，易于从水体中分离出来。
3.石墨烯对大气污染物的吸附
大气污染已经成为全人类生活中不可避免的一个现实，空气中的有毒有害物质会直接影响人体健康。在众多治理大气污染的方法中，吸附法是公认最合理高效的方法之一，目前，碳材料是被应用最广泛的吸附材料。石墨烯材料由于其巨大的比表面积，多孔结构和高效的吸附性能，在大气污染物吸附方面发挥着重要作用。
大气中的甲醛是普遍存在的有害物质，吴利瑞等通过制备石墨烯气凝胶，对比碳纳米管对甲醛的吸附性能，结果显示：石墨烯复合材料的吸附性能可到13.5mg/g，而炭纳米管对甲醛吸附容量仅达9.47mg/g，充分体现了该材料的吸附效果。东南大学孙立涛教授等研发了“石墨烯基口罩”，将改性后的石墨烯复合物涂抹于滤网上，然后去除空气中的粉尘和PM2.5实验，结果显示PM2.5去除率可达99.3%。
三、石墨烯在实际应用中存在的问题
尽管石墨烯材料有高效的吸附性能、比纸张薄、比钻石硬、比铜导电性高、比橡胶柔软等，但它在实际应用过程中还存在一定的问题：一是石墨烯材料成本较高、量产难度大。目前，科研人员尽管在探索石墨烯的制备方法，但很难同时保证其质量和数量，制备成本较高，分离难度较大。二是制备过程易产生污染。氧化还原法是目前大量生产石墨烯的主要方法，但制备过程中需要用到强酸、强碱、强氧化剂等物质，污染严重。三是在解吸过程中易产生二次污染。石墨烯吸附污染物饱和后应进行解吸处理，但由于石墨烯颗粒较小、质量较轻、吸附和解吸时均会产生一定的悬浮粉尘，污染大气，且易被人体吸入，危害健康。
四、总结和展望
石墨烯吸附材料的吸附性能在环境保护中起着重要的作用，但就目前的技术而言，仍然存在一定的问题，因此，在石墨烯吸附性能的研究上还应更深入，进而广泛应用。只有研究出更合适、更合理、更成熟、更环保的石墨烯基吸附材料，才能使石墨烯在环境保护中发挥最大价值。
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責任编辑：孙瑶
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