基于石墨烯在環保領域應用的探討

程小豹 劉崢 楊永強 趙衛芳 王勤生

摘要：生態環境是經濟發展的基礎，污染對生態環境的破壞嚴重制約我國經濟的發展，迫使我們加強科技手段創新。石墨烯因其獨特的結構和性能可以有效吸附水和大氣中的有害物質，為環境保護提供新的選擇。本文重點對石墨烯在水處理和大氣保護中的應用進行分析，希望能夠發揮石墨烯在環保方面的性能優勢，為我國生態文明建設作出貢獻。

關鍵詞：環境保護;石墨烯;水處理;大氣保護

中圖分類號：X703.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.146

Discussion on application of graphene in environmental protection

Cheng Xiaobao1，2，Liu Zheng1，2，Yang Yongqiang1，2，Zhao Weifang1，2，Wang Qinsheng1，2

（1.Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Wuxi Jiangsu 214174，China;

2.National Graphene Product Quality Supervision and Inspection Center （Jiangsu），Wuxi Jiangsu 214174，China）

Abstract：The ecological environment is the foundation of economic development.The damage of pollution to the ecological environment severely restricts the development of our economy and forces us to strengthen innovation in science and technology.Because of its unique structure and properties，graphene can effectively adsorb harmful substances in water and the atmosphere，providing a new choice for environmental protection.This article focuses on the analysis of the application of graphene in water treatment and atmospheric protection，hoping to take advantage of the performance advantages of graphene in environmental protection and contribute to the construction of ecological civilization in China.

Key words：Environmental protection;Graphene;Water treatment;Atmospheric protection

環境破壞與污染等問題突出體現在水和大氣污染方面，我國科研工作者在水污染防治和大氣污染防治中做了大量工作，尤其在新材料的應用上做了很多有益的探索，其中石墨烯以其獨特的優勢在環境保護領域得到大量應用。研究分析石墨烯在環保領域中的創新應用具有科學意義和重要的現實意義[1]。

1 石墨烯的制備

受益于制備技術的發展，石墨烯的制備工藝得到優化，制備成本不斷的下降，為其工業化生產以及普及提供了條件。現階段，不同的方法制備的石墨烯也存在一定的差異。目前應用較多的當屬以下幾種。

1.1 微機械剝離法

利用此種方法可以獲得單層結構完整的石墨烯，但難以實現對尺寸的準確控制，在工業化生產上存在著較大難題。

1.2 外延生長法

用這種方法獲取的石墨烯品質較好，但目前尚未產業化。該法制備過程較為復雜，首先需要利用氧氣或氫氣對單晶6H-SiC進行刻蝕，然后利用電子轟擊加熱去除結構中氧化物，最后冷卻得到石墨烯。

1.3 化學氣相沉積法

該方法借鑒部分無機材料制備工藝，可以實現對石墨烯氣相沉積過程的精準控制，并且生產出來的石墨烯具有面積大、品質好的特點，但該方法能耗較高。該方法生產出來的石墨烯在信息技術產業有一定的應用。

1.4 氧化還原法

該方法是比較常用的方法，用這種方法制備石墨原料成本低、操作簡便、質量穩定，適用于規模化生產。但該方法在生產過程中易產生環境污染，生產的石墨烯在結構和電學性能方面存在一定的缺陷，制約其在相關領域的應用[2]。

1.5 其他制備方法

受傳統制備方法的啟發，或者是采用新技術，越來越多的石墨烯制備方法面世。Nethravathi等人采用溶劑換元法得到高品質的石墨烯，該方法工藝流程易操作，所用原料經濟易得，且不易造成環境污染，是較理想的制備方式。Li[3]等將純石墨烯棒放置在NH3氛圍下，利用直流電，制備出了N摻雜的石墨烯。

2 水處理中對石墨烯的應用研究

水資源的短缺嚴重制約了我國經濟社會的發展，石墨烯材料憑借其在吸附性能方面所表現出來的優異性，在水污染治理領域得到了人們的青睞。

2.1 石墨烯處理廢水中重金屬元素的應用

重金屬離子是廢水處理和循環使用的難點，石墨烯材料極大的比表面積，可以增加其與水的接觸面積，可以吸附廢水中的重金屬離子。對石墨烯進行修飾與改性可以提高親水性，實現對重金屬離子的配絡反應，提升吸附效率。酸堿度會影響石墨烯對金屬離子的吸附能力，pH值的升高會增強對Pb2+和Cd 2+的吸附性能，且優于其他傳統吸附材料。

2.2 石墨烯處理廢水中有機物的應用

水中過多有機物的存在會降低水的含氧量，導致水質的變差和水污染。石墨烯可以實現對有機染料、抗生素以及油等有機物的吸附。

首先，紡織業是水中有機物污染物最重要的來源，染整等工藝會產生大量富含有機染料的廢水，其濫排對水體和人體會造成嚴重危害。文獻報道的一種三維氧化石墨烯，其含氧基團的負電性能可對染料中的陽性離子進行吸附，增強石墨烯對有機染料的吸附。石墨烯作為高性能載體與TiO2光催化劑復合能夠提高光催化性能，高效降解水中的有機物。

其次，油等有機溶劑也是水體污染和土壤污染的重要來源。石墨烯本身具有較強的親油性，加之其具有高吸附容量和高吸附效率的特點，有利于對廢水中的油類等有機溶劑進行吸附。石墨烯氣凝膠、石墨烯海綿等都能增加吸附容量，提高吸附速度，可用于原油泄漏而造成水體污染的應急處置。

最后，抗生素是一種潛在的環境危害物，它不僅會打破自然環境中微生物種群的平衡，也易導致人體產生耐藥性。當前，吸附法、生物法以及高級氧化法是主要用來處理抗生素的方法。其中，生物法和高級氧化法兩者在應用中都具有一定的缺陷，吸附法的副作用較小。通過對石墨烯改性，可提高石墨烯對抗生素的吸附速度和吸附能力，并且隨著溫度升高而增強，但是較高的離子濃度會影響其吸附能力的提升[4]。因此，在對抗生素進行吸附處理時一定要選擇合適的溫度和濃度。

2.3 石墨烯在海水淡化工程中的應用

在處理好水質型缺水的同時，提高水資源的增量也是解決水資源短缺的一個重要手段，基于石墨烯絕佳的阻隔性能，可以通過對石墨烯的使用來有效提升對海水中鹽離子的阻隔，以此來達到海水淡化的目的。實驗證明，氧化石墨烯薄膜就可以實現這種功能[5]。通過對石墨烯膜層間距的有效控制，實現對純水和鹽性離子的精準篩分，提高海水淡化效率，而且石墨烯脫鹽膜堅固耐用，成本較低。另外，獨立太陽能轉化器的研發可大大提高海水的淡化功能[6]，并且此項技術在不久的將來極有可能實現工業化應用。此外，除了海水淡化，石墨烯材料還被用來凈化飲用水，減少凈水設備對濾芯的更換，節約凈水成本。

3 石墨烯在大氣污染治理中的應用

空氣污染的科學有效治理需要相關的技術創新與新材料研發，石墨烯材料因其獨特優勢，在空氣治理領域也有重要的作用。

3.1 石墨烯在大氣污染治理工程中的應用

石墨烯作為一種特殊的活性炭材料，表面積較大，吸附性能絕佳，是治理空氣污染的首選材料。空氣污染主要原因是粉塵和有害氣體。石墨烯優異的吸附性能使其可以吸附空氣中的粉塵，降低空氣中顆粒物的濃度。同時，可以除掉以甲醛為代表的各種有害氣體[7]。利用石墨烯的抑菌性研制的石墨烯口罩，可以保護呼吸系統。改性石墨烯還可以轉化有害氣體，改善大氣環境。

3.2 石墨烯在氣體檢測領域中的應用

石墨烯材料除了可以應用在空氣污染治理，因為其具有較高的環境敏感度，可以用于氣體檢測。目前，石墨烯基氣體傳感器已經應用到了實踐中，通過不斷的改良，相關設備可實現對氨氣、一氧化氮以及氫氣等多種氣體的痕量檢測[8]。

4 結束語

在環境污染大背景下，必須要加強對新型材料的研究和創新，推動環境的持續改善。石墨烯材料憑借其獨特的結構和性能優勢，將會在水污染治理、大氣治理等領域得到越來越多的應用。在未來實踐中，需要進一步加強對石墨烯的研究和創新攻關，推動市場化應用，為我國環保事業做出貢獻。

參考文獻

[1]胡忠良，李雪鋒，席柳江，等.石墨烯材料在水處理方面的研究進展[J].功能材料，2016，47（S1）：1-6.

[2]Masukazu Hirata， et al. Thin-film particles of graphite oxide[J].Carbon，2004，42（14）.

[3]Nan Li， et al.Large scale synthesis of N-doped multi-layered graphene sheets by simple arc-discharge method[J].Carbon，2009，48（1）.

[4]孫慶玲.石墨烯納米復合材料制備方法的研究進展[J].環境與發展，2018，30（02）：94+99.

收稿日期：2020-04-07

項目資助：本文研究得到江蘇省質監局科技項目（KJ175935）、江蘇省特檢院科技項目（ KJY2017015， KJY2017017 ）共同資助。

作者簡介：程小豹（1989-），男，漢族，本科學歷，助理工程師，研究方向為石墨烯材料檢驗檢測。