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工業(yè)化進(jìn)程的加速，導(dǎo)致工業(yè)廢水排放量噌噌上漲，本就讓末端的水處理行業(yè)壓力與日俱增。

往往這些工業(yè)廢水中還帶有復(fù)雜的芳環(huán)結(jié)構(gòu)或重金屬離子，傳統(tǒng)水處理工藝難以對其做到完全的分解、去除。

污水處理企業(yè)：屋漏偏逢連夜雨吶～

于是，行業(yè)內(nèi)默默開啟一陣內(nèi)卷，紛紛尋找起去除率更高、處理污水能力更強(qiáng)的新工藝、新材料。

石墨烯，就是得到大家一致認(rèn)可的新材料之一，也被笑稱為“21世紀(jì)最有能力輕松攻克工業(yè)廢水處理”的熱門材料。

印度科學(xué)博士Ramavatar Meena曾說過，將石墨烯類復(fù)合物和反滲透結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對染料、紡織類高濃度工業(yè)廢水的高效處理。

那么，石墨烯究竟是如何實(shí)現(xiàn)對高濃度工業(yè)廢水的高效處理的呢？

什么是石墨烯？

石墨烯，大家可能有種“熟悉的陌生感”，那少一個(gè)字，石墨，相信大家肯定就都認(rèn)識了。

沒錯(cuò)，就是鉛筆芯，它就是由一層層石墨烯堆疊起來的。

有個(gè)量化的說法，用鉛筆輕劃過紙面，留下的痕跡可能就是好幾層的石墨烯。

薄，是真的薄。它是目前世界上厚度最薄的納米材料，一層厚度僅有0.335納米。

硬，也是目前世界之最，比鋼（鐵般的意志）的強(qiáng)度還高上百倍。

石墨烯：好歹和鉆石師出同門。

除此之外，它的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、拉伸性、散熱性也擔(dān)當(dāng)?shù)闷稹白睢币蛔帧?/span>

正是擁有如此多“最”性能，如此有排面的石墨烯，卻長了一張普通的“足球網(wǎng)”臉面。

碳原子以sp2雜化軌道緊密排列，組成呈蜂巢狀的六邊形晶格，無數(shù)個(gè)六邊形晶格無縫連接，就構(gòu)成只有一個(gè)碳原子厚度的二維純碳材料，也就是單層石墨烯。

看到這里，有的水處理人嚷嚷起來：就這“足球網(wǎng)”，用來處理復(fù)雜的工業(yè)廢水？

石墨烯是怎么進(jìn)行工業(yè)廢水處理的？

首先，石墨烯擁有超大的比表面積（理想石墨烯具有高達(dá)2600 m2/g的比表面積），這就很好奠定了它良好吸附性能的基礎(chǔ)。

為什么這里之淮說的是奠定，而不是具有良好吸附性能？大家繼續(xù)看下去。

因?yàn)?，單一石墨烯畢竟勢單力薄，能做的不多?/span>

水友A：它表面呈惰性，難溶于水和溶劑，傲氣得很。

水友B：它表面沒有沒有活性基團(tuán)，吸附單純靠自身的范德華力和疏水相互作用，作用太弱，吸附平衡過久；

水友C：它還極易發(fā)生團(tuán)聚，使得原本就弱的吸附能力，更下一層樓；

石墨烯：我完美解釋了什么叫“家大業(yè)不大”、“中看不中用”。

為了解決石墨烯的“硬傷”，讓它早日“挺直腰桿做人”，研究人員也是在廢寢忘食、夜以繼日的探索和研究。

終于，石墨烯的衍生物和復(fù)合材料成功面世。

它們不僅強(qiáng)化了石墨烯的吸附能力，還順帶挖掘了它協(xié)同光催化材料增強(qiáng)廢水處理效果的作用。

石墨烯：就是這么不鳴則已一鳴驚人！基礎(chǔ)在那里了，別羨慕，你們學(xué)不來~

氧化石墨烯 -- 超強(qiáng)吸附作用

氧化石墨烯就是其中較為成熟的一種石墨烯衍生物。

作為石墨烯的“進(jìn)化體”，氧化石墨烯既完美繼承了石墨烯該有的一切特性，又讓其表面帶上了強(qiáng)化吸附的利器：含氧官能團(tuán)。

這些含氧官能團(tuán)主要是一些“親水基”，如-COOH、-OH等。它們使氧化石墨烯帶上了良好的親水性，既易溶于水，又能與親水性物質(zhì)穩(wěn)固地結(jié)合形成復(fù)合物，從而對工業(yè)廢水中的重金屬離子和有機(jī)污染物有較好的吸附作用。

①對重金屬離子的吸附

氧化石墨烯對重金屬離子的吸附，主要通過靜電作用和絡(luò)合反應(yīng)。

重金屬在水中大多以陽離子形式存在，而含氧官能團(tuán)一般帶負(fù)電荷，通過靜電作用，這部分陽離子重金屬能夠得到較好的吸附去除。

其中，一些多價(jià)金屬離子更容易和含氧官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，通過離子交換，達(dá)到去除目的。

有關(guān)研究表明，氧化石墨烯對水體中鉛的吸附量是活性炭的10倍，其對汞的去除能力比其他吸附劑高 5倍。

②對有機(jī)污染物的吸附

氧化石墨烯對廢水中的陽離子染料、芳香族化合物及高分子有機(jī)物等有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的吸附作用，主要通過靜電作用和π-π交互作用。

含氧基團(tuán)使氧化石墨烯表面帶負(fù)電，通過靜電作用，能夠強(qiáng)有力的吸附廢水中的陽離子污染物。

而廢水中的芳香族化合物則會(huì)和π-π鍵相互作用，發(fā)生有效吸附。

石墨烯類復(fù)合材料 -- 協(xié)同光催化材料提高水處理效率

眾所周知，光催化反應(yīng)作為一種環(huán)境友好型水處理技術(shù)，深受大眾喜愛。

其作用原理簡單來說就是，利用光來激發(fā)半導(dǎo)體催化劑，引起氧化還原反應(yīng)，從而氧化分解廢水中的污染物。

這一過程說起來還挺復(fù)雜，歸納一下就是涉及：電荷分離。只要保證了電荷分離的快和穩(wěn)，這光催化反應(yīng)效率就直線上升了。

而石墨烯類復(fù)合材料因其雜化方式的特別，恰好就具備了較高的電子傳輸性能，可以實(shí)現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移，降低光生載流子的復(fù)合。

眾人：天下武功，唯快不破啊~

其與光催化材料結(jié)合，就能大大提高催化效率，達(dá)到協(xié)同處理廢水污染物的目的。

被大家稱為“21世紀(jì)最佳光催化材料”的二氧化鈦，本身已經(jīng)具備很好的光催化能力。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，二氧化鈦/氧化石墨烯復(fù)合物又進(jìn)一步提高了光催化能力，增強(qiáng)了對有機(jī)染料的光降解效果。

眾人：雙......雙......雙21世紀(jì)之光？！

另外，石墨烯類復(fù)合材料具備的巨大比表面積和薄到透明度極高的優(yōu)勢，還能夠拓寬材料的光譜影響范圍，提高利用光能的能力，更深一步在光催化過程中提高材料的吸附性能，實(shí)現(xiàn)廢水潔凈。

目前石墨烯光催化應(yīng)用這一點(diǎn)，已在城市黑臭水體治理中得到了較好的實(shí)踐效果。

最新的研究

1、石墨烯上的“納米海綿”可成為工業(yè)廢水的高效過濾器

8月5日消息，維也納大學(xué)的工程師們開發(fā)了一種新的復(fù)合材料，可以有效地過濾掉水中的有機(jī)污染物。該系統(tǒng)使用嵌入石墨烯片上的超多孔“納米海綿”。

新過濾器的關(guān)鍵是一類叫做共價(jià)有機(jī)框架（COFs）的材料。這些結(jié)構(gòu)是非常多孔的，使它們在很小的空間內(nèi)擁有巨大的表面積，這意味著它們能有效地抓住大量的分子。被稱為金屬有機(jī)框架（MOFs）的相關(guān)材料正被研究用于碳捕獲、海水淡化或從稀薄的空氣中提取飲用水，而COFs可能具有一系列類似的功能。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員專注于使用COFs來去除水中的有機(jī)染料。這些化學(xué)品是工業(yè)廢水的常見污染物，可能具有毒性和致癌性--更不用說難以去除。

該團(tuán)隊(duì)調(diào)整了COFs，使其有選擇地抓住有機(jī)染料分子。這涉及到使孔的形狀和大小合適--在0.8和1.6納米之間--并使其表面帶負(fù)電，以吸引帶正電的染料分子。

但是還有一個(gè)障礙需要克服。當(dāng)這種材料以粉狀形式使用時(shí)，外緣的孔隙首先被分子填滿，而中間的孔隙則是空的，基本上沒有用處。因此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，通過在石墨烯薄片上種植COFs來分散它。

最終的結(jié)果是在石墨烯的單原子層上形成了兩納米厚的COFs層，這增加了該材料容納有機(jī)染料分子的最大容量。石墨烯本身具有相當(dāng)大的孔隙，允許水快速流過，同時(shí)COFs發(fā)揮其作用。

研究人員表示：“因此，石墨烯網(wǎng)絡(luò)的大孔與超薄的COFs層及其大量的吸附點(diǎn)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)特別快速和高效的廢水處理?！?/span>

研究小組表示，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該也是相當(dāng)便宜的。不需要使用太多的石墨烯，而且COFs可以被清理出來并重新使用。

該研究發(fā)表在《Angewandte Chemie》雜志上。

2、一種珊瑚狀石墨烯氣凝膠用于廢水處理

9月19日消息，珊瑚是一種古老的海洋生物，嘴邊長著許多小觸手，“肚”（內(nèi)腔）被分成幾個(gè)小房間（消化腔），海水流過這些小房間，將食物帶入消化腔吸收. 珊瑚對水中食物的吸收和消化啟發(fā)了我們的材料設(shè)計(jì)方法。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)Yanzong Zhang《Chemical Engineering Science》期刊發(fā)表名為“Synthesis of a superhydrophilic coral-like reduced graphene oxide aerogel and its application to pollutant capture in wastewater treatment”的論文，研究設(shè)計(jì)了一種 3D 仿生 ZIF-8@rGO氣凝膠，在重復(fù)循環(huán)中具有高吸附性和穩(wěn)定性。

ZIF-8 納米顆粒具有孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可作為許多觸手并在 rGO 氣凝膠上生長。在這里，rGO 氣凝膠不僅可以作為基質(zhì)，還可以作為可以容納大量污染物的珊瑚狀腹部。將 ZIF-8@rGO氣凝膠浸入被 TC 污染的水中后，錨定的 ZIF-8 納米顆粒會(huì)迅速尋找 TC 分子。此外，這種錨定結(jié)構(gòu)延長了TC分子在“珊瑚腹”內(nèi)的停留時(shí)間，同時(shí)增加了TC分子擴(kuò)散的表面積。更令人印象深刻的是，我們的方法可以廣泛用于過濾和保留染料，這對于其他潛在應(yīng)用很有前景。

看到這里，有人要問了：說了那么多優(yōu)點(diǎn)，為什么現(xiàn)在石墨烯在工業(yè)廢水處理市場還沒有鋪張開來？

眾人：好像生活污水處理市場也沒完全鋪開來啊。

石墨烯市場化應(yīng)用難點(diǎn)

這個(gè)問題不難回答。

新材料行業(yè)通常有“三高三長”的特點(diǎn)：難度高、投入高、門檻高，研發(fā)周期長、驗(yàn)證周期長、應(yīng)用周期長。

任何一種新材料從研發(fā)、面世、試驗(yàn)，到投產(chǎn)、推廣、應(yīng)用，都是一個(gè)漫長且無知的磨合過程。

石墨烯盡管有這么多優(yōu)點(diǎn)值得應(yīng)用，卻抵不過它目前的困境：無法高效率、規(guī)模化制備。這也使得下游材料企業(yè)市場對它不太認(rèn)可。

需要大量實(shí)際應(yīng)用案例來驗(yàn)證石墨烯的功能，又缺少資金投入來制備大量石墨烯，這說到底還是錢的事情。

如何穩(wěn)定、高校、量產(chǎn)石墨烯及其衍生物和復(fù)合材料，用以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，將會(huì)是未來很長一段時(shí)間科研人員的重點(diǎn)研究課題。

對于水處理行業(yè)來說，一旦進(jìn)行投產(chǎn)，我相信石墨烯的實(shí)際應(yīng)用能力會(huì)比現(xiàn)在的多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加出彩。

畢竟，是騾子是馬，要拉出來溜溜才知道～

最后，之淮大膽猜想一下，距離實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜工業(yè)廢水處理起來沒什么難度”，應(yīng)該不會(huì)太遠(yuǎn)了。