石墨烯是一種新型的納米材料，具有一些獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、比表面積、化學(xué)穩(wěn)定性好等。關(guān)于石墨烯的應(yīng)用涉及到電子、信息、能源、材料、催化和生物醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域。

　　概述了近年來石墨烯復(fù)合材料在水處理過程中對(duì)重金屬離子的吸附研究，內(nèi)容有石墨烯復(fù)合材料的制備及它們的吸附效果、吸附機(jī)理、吸附動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)，并就今后石墨烯復(fù)合材料在水處理過程中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

　　1、引言

　　隨意排放的含有重金屬離子的廢水近年來逐漸成為世界范圍環(huán)境保護(hù)主義者共同關(guān)注的焦點(diǎn)。如來源于金屬冶煉廠、化工廠、采礦場和電池廠等所排放的廢水中含有一種甚至多種有毒的重金屬離子。這些有毒重金屬離子可使生物體中的酶失去活性，即使含量很小也有毒性，主要是由于它們能在生物體內(nèi)積累，不易排出體外，故危害極大；從環(huán)境保護(hù)的角度，這些含有有毒重金屬離子的廢水在排放之前必須要經(jīng)過處理。除去水中重金屬離子的方法有離子還原、共沉淀、膜過濾、離子交換和吸附等。在這些方法中，吸附法由于具有相對(duì)低的成本、操作簡單、不產(chǎn)生二次污染、容易再生等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用比較廣泛。吸附法的關(guān)鍵是找到有效的吸附劑，該吸附劑應(yīng)具有較高的吸附量、較快的吸附速率、方便回收及容易再生等特征。碳納米材料中活性炭、多孔碳、碳納米管由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大、孔結(jié)構(gòu)分布范圍廣和可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)被用作吸附劑用于廢水處理。但活性炭和多孔碳的吸附量不高，吸附速率較慢；碳納米管的吸附效果較好，但其大規(guī)模生產(chǎn)的成本仍較高。與碳納米管具有相似結(jié)構(gòu)但擁有更大比表面積的石墨烯一經(jīng)出現(xiàn)就被認(rèn)為是一種理想的吸附材料。

　　石墨烯(graphene，GN)自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能，使其迅速成為國際新材料領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。GN是由單原子層的碳原子經(jīng)過sp2雜化形成的二維原子晶體，單層GN示意圖如圖1(a)所示。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使GN表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)。例如，GN的強(qiáng)度是已知材料中最高的，達(dá)130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達(dá)15000cm2/(V·s)，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍，超過商用硅片遷移率的10倍以上；其熱導(dǎo)率可達(dá)5000W/(m·K)，是金剛石的3倍；其理論比表面積高達(dá)2630m2/g。

圖1　GN及GO結(jié)構(gòu)示意圖

　　此外，GN還具有室溫量子霍爾效應(yīng)及鐵磁性等特殊性質(zhì)。這些性質(zhì)使GN在諸多領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用，如場效應(yīng)晶體管、太陽能電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器、傳感器、復(fù)合材料、催化、吸附、藥物輸送等。同時(shí)又由于GN具有性能優(yōu)異、成本低廉、可加工性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，人們預(yù)測(cè)GN在21世紀(jì)將掀起一場新的技術(shù)革命。

　　由于具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大等突出優(yōu)點(diǎn)，GN在水處理中的應(yīng)用前景值得期待。但GN的結(jié)構(gòu)為sp2雜化的C原子形成的單原子層，這使其表現(xiàn)出明顯的憎水性。此外，由于范德華力的作用GN片層容易重新堆積形成石墨。在實(shí)際應(yīng)用中常用的是氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)，它是石墨氧化的產(chǎn)物，經(jīng)過還原即可轉(zhuǎn)化為GN。GO表面含有大量的含氧，如—COOH和—OH等。這些含氧官能團(tuán)不僅使GO在水中表現(xiàn)出親水性，而且還可成為活性吸附位吸附水中的重金屬離子，更是制備石墨烯復(fù)合材料的前驅(qū)體。GO的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。本文概述了石墨烯復(fù)合材料的制備及其作為吸附材料除去水中重金屬離子的吸附效果、機(jī)理、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)，最后對(duì)石墨烯復(fù)合材料在水處理中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

　　結(jié)語

　　自從發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的單層GN結(jié)構(gòu)以來，關(guān)于GN的研究不斷取得重要進(jìn)展，在微電子、量子物理、材料、化學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域都表現(xiàn)出許多令人振奮的性能和潛在的應(yīng)用前景。石墨烯復(fù)合材料吸附金屬離子在相對(duì)低的pH值時(shí)主要靠離子交換，在相對(duì)高的pH值時(shí)可以是靜電作用也可以是絡(luò)合作用或兩者兼而有之；吸附過程一般均可用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)來描述；吸附等溫線符合Langmuir模式；吸附熱力學(xué)為一自發(fā)、吸熱的過程。

　　石墨烯復(fù)合材料穩(wěn)定性好、成本低、容易回收、方便再生，同時(shí)對(duì)重金屬離子的飽和吸附量高、吸附速率快。此外，GN與含有苯環(huán)的芳香化合物之間存在強(qiáng)的π-π作用，這是石墨烯復(fù)合材料用于吸附除去水中芳香污染物的理論基礎(chǔ)。由此可見，石墨烯復(fù)合材料作為新型吸附材料不僅可以有效的除去水中的重金屬離子，同時(shí)還可高效的除去水中的芳香化合物。另外，不得不提的是負(fù)載半導(dǎo)體光催化劑(如TiO2、ZnO等)的復(fù)合材料在光催化降解水中污染物方面也有著優(yōu)異的表現(xiàn)。可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，石墨烯復(fù)合材料在水處理領(lǐng)域必將大顯身手。