新型石墨烯基材料在污水處理中的突破性應用

林寶春，鐘永芬，陳學勤

（杭州益水環境工程有限公司，杭州 311200）

污水處理在環境保護、公共健康和可持續發展方面具有極高的應用價值。首先，根據聯合國環境規劃署數據，大約80%的全球污水未經處理就被排放，導致水源和生態系統受到嚴重污染，引發水體富營養化等問題[1]。其次，未處理的污水含有大腸桿菌和沙門氏菌等致病微生物，可能引發疾病暴發。最后，污水處理有助于資源回收，可將有機質和養分用于農業灌溉和工業生產，減少對有限自然資源的依賴。

1 新型石墨烯基材料概述

1.1 立式石墨烯功能材料

立式石墨烯功能材料是一種新興材料，其石墨烯層以垂直方式排列，通常通過化學氣相沉積制備[2]。這種結構賦予它高比表面積、優良的導電性和化學穩定性，它還具有豐富的官能團，在吸附、催化、電子器件和傳感器等領域有廣泛應用前景，已在氣體分離、電池電極、超級電容器和生物傳感器等領域取得顯著的研究進展。

1.2 石墨烯氣凝膠材料

新型石墨烯氣凝膠材料是由石墨烯氣凝膠單體通過化學鍵或物理作用力相互連接形成的網狀結構，比傳統石墨烯材料具有更大的比表面積和更高的孔隙度。這些特性使它在吸附、儲能和傳感等領域具有巨大潛力，不僅能容納大量分子和離子，還具有優良的化學穩定性，已在氣體吸附、超級電容器、傳感器、催化劑載體和藥物傳遞系統等領域得到廣泛應用。

1.3 三維石墨烯材料

三維石墨烯材料是由多層石墨烯片堆疊形成的立體結構材料，具有高孔隙度和可調控表面性質，這來源于其特殊的三維排列方式。這種材料不僅在催化、吸附和分離技術中展現出色性能，還在電子器件和熱管理領域具有極高的應用潛力。其可調控的孔隙結構和豐富的官能團讓其成為一個理想的選擇。它可用于有機污染物吸附、催化反應和電池電極等方面，提供定制化的解決方案。

2 傳統石墨烯基材料在污水處理中存在的問題

2.1 物質吸附能力的限制

首先是對有機染料的吸附能力受限，不能滿足高濃度廢水的處理需求[3]。其次，對多種重金屬離子的選擇性吸附能力較弱，使得其難以高效去除。最后，廢水中多種有機物和重金屬同時存在時，它們會在石墨烯基材料表面發生競爭吸附，降低去除效率。石墨烯與金屬離子的作用機理如圖1所示。

2.2 催化性能的不足

首先，有機物降解效率低，降解需要更高的溫度和更長的時間，而新型氧化劑則展示更好的催化效率。其次，重金屬離子的還原方面存在限制，表面活性位點有限導致電子轉移不足，以至于不能高效進行重金屬離子的還原。最后，在處理含有多種污染物的廢水時，催化性能有限，可能出現選擇性降解某些物質而忽略其他污染物的情況，從而影響廢水處理效果。催化降解機理如圖2所示。

圖2 催化降解機理

2.3 材料結構的局限

首先，傳統石墨烯基材料表面活性位點不足，集中在邊緣和缺陷處，導致不能提供足夠的催化活性位點，以滿足復雜有機物降解的需求。其次，單一性限制其在處理不同種類廢水時的效率，特別是在去除含有微米級顆粒物的廢水時效率較低。最后，盡管表面修飾可以提高其性能，但由于石墨烯的平面結構，這樣的修飾變得相對困難，容易導致聚集現象，降低材料的分散性和催化活性。

3 新型石墨烯基材料在污水處理中的突破性應用

3.1 立式石墨烯功能材料在污水處理中的應用

作為新型石墨烯基材料，立式石墨烯功能材料（VGBFMs）具有超強的物質吸附能力，正革新污水處理領域，提供環保解決方案。VGBFMs 擁有垂直排列的石墨烯層，賦予其高比表面積、卓越的導電性和化學穩定性等特性，使其成為出色的污染物吸附劑[4]。它具有超過1 000 m2/g 的比表面積，吸附容量可達200 mg/g，明顯優于傳統活性炭材料，可用于去除重金屬離子、有機化合物和微生物。這一突破性材料在環保領域展示巨大的潛力和實用價值。

VGBFMs 具有獨特的垂直排列結構和高比表面積等特性，已在污水處理領域展示出顯著的催化性質。VGBFMs 被應用于多種催化處理方案。一是有機物降解催化，其中VGBFM-Cu 催化劑在亞甲基藍的降解中展示顯著效果，提升降解速率超過50%；二是電化學催化，VGBFM-Pt 電催化劑在氧化還原反應中表現出優異性能，擁有更低的電位和更高的電流密度；三是光催化，VGBFM-TiO2光催化劑在可見光下對甲基橙的降解表現突出，預示著環保光催化污水處理的可能性。研究表明，VGBFMs 在加快污水處理中污染物降解速率方面擁有巨大的應用潛力。石墨烯光催化降解有機污染物的反應機理如圖3所示。

圖3 石墨烯光催化降解有機污染物的反應機理

3.2 石墨烯氣凝膠在污水處理中的應用

石墨烯氣凝膠（Graphene Aerogel）具有高孔隙度與高吸附性能，在污水處理方面顯示出突破性應用。高孔隙度和高吸附性能是其兩大核心特性，高孔隙度石墨烯氣凝膠（HPGA）孔隙度可大于90%，提供大表面積用于吸附廢水中的污染物。而高吸附性能石墨烯氣凝膠（HAPGA）可具有100～1 000 mg/g 的吸附容量，因其獨特的結構和化學性質，能夠高效吸附廢水中的有機物和重金屬離子。實際應用中，在有機廢水處理中，HPGA 能將有機物質的吸附率提升至90%以上，其吸附容量達400 mg/g。而在重金屬去除方面，HAPGA 可以成功將廢水中的重金屬離子去除至滿足排放標準，其吸附容量在100～500 mg/g。

石墨烯氣凝膠具有輕質與高強度特性。輕質特性主要體現在極低的密度和高比表面積上，密度通常在5～50 mg/cm3，比表面積能夠超過1 000 m2/g，使其能夠輕松浮在水面并具有高效的吸附效率[5]。另外，其高強度特性主要展現在卓越的機械強度和耐腐蝕性上，拉伸強度可以達到10～50 MPa，而在酸堿環境下的質量損失低于5%。這些特點不僅降低材料的維護需求，還為污水處理提供更高效和經濟的解決方案。例如，輕質的石墨烯氣凝膠可以用于制造石墨烯浮筒污水處理系統，其質量只有傳統設備的10%，但吸附性能相似；而高強度的石墨烯氣凝膠可應用于高強度石墨烯氣凝膠脫水系統，顯著提高污泥脫水效率，能將水分含量從80%降至30%以下。這些優勢使石墨烯氣凝膠成為污水處理領域的強力助手。

3.3 三維石墨烯材料在污水處理中的應用

三維石墨烯材料因其多孔結構和高親水性，在污水處理中顯示出顯著的過濾性能，被視為解決傳統污水處理效率低和高投資問題的新方案。三維氧化石墨烯多孔膜（3D-GOF）已被開發，其孔隙直徑為400 nm，能夠過濾掉直徑20 nm 的顆粒，過濾效率可達99.9%，它已成功應用于污水處理。三維石墨烯材料不僅可以提高過濾效率，還能降低能耗，在大規模污水處理中展示廣闊的應用前景。

三維石墨烯材料具有污染物的選擇性吸附能力，能夠通過調整表面官能團、孔隙大小和化學組成來實現對特定污染物的高效吸附。羧基官能團功能化的三維石墨烯材料可用于吸附重金屬離子（如Pb2+和Ni2+），顯示出卓越的選擇性吸附能力。同樣，這種材料還可以用于有機污染物的選擇性吸附。此外，氧化程度較低的三維石墨烯材料表現出更高的親油性，可以實現95%以上的油污去除效果。總之，三維石墨烯材料在污水處理領域展現出巨大的應用前景。

4 結論

新型石墨烯基材料在污水處理中展現出突破性的應用潛力，特別是立式石墨烯功能材料、石墨烯氣凝膠材料以及三維石墨烯材料。它們克服傳統石墨烯基材料存在的問題，具有超強的吸附能力、卓越的催化性質、高孔隙度、輕質與高強度特性、生物降解與短周期再生、可調控的表面性質等優勢。這些優勢使得新型石墨烯基材料在污水處理中具有廣闊的應用前景，為解決環境污染問題和實現可持續發展提供有力支持。