石墨烯如何处理高浓度工业废水？（石墨烯在废水处理中的作用）

什么是石墨烯？

石墨烯，大家可能有种“熟悉的陌生感”，那少一个字，石墨，相信大家肯定就都认识了。没错，就是铅笔芯，它就是由一层层石墨烯堆叠起来的。有个量化的说法，用铅笔轻划过纸面，留下的痕迹可能就是好几层的石墨烯。薄，是真的薄。它是目前世界上厚度最薄的纳米材料，一层厚度仅有0.335纳米。硬，也是目前世界之最，比钢（铁般的意志）的强度还高上百倍。除此之外，它的导电性、导热性、拉伸性、散热性也担当得起“最”一字。

正是拥有如此多“最”性能，如此有排面的石墨烯，却长了一张普通的“足球网”脸面。

碳原子以sp²杂化轨道紧密排列，组成呈蜂巢状的六边形晶格，无数个六边形晶格无缝连接，就构成只有一个碳原子厚度的二维纯碳材料，也就是单层石墨烯。

那么石墨烯是怎么进行工业废水处理的？

首先，石墨烯拥有超大的比表面积（理想石墨烯具有高达2600 m2/g的比表面积），这就很好奠定了它良好吸附性能的基础。为什么这里之淮说的是奠定，而不是具有良好吸附性能？因为，单一石墨烯毕竟势单力薄，能做的不多。

水友A：它表面呈惰性，难溶于水和溶剂，傲气得很。

水友B：它表面没有没有活性基团，吸附单纯靠自身的范德华力和疏水相互作用，作用太弱，吸附平衡过久；

水友C：它还极易发生团聚，使得原本就弱的吸附能力，更下一层楼；

为了解决石墨烯的“硬伤”，在研究人员夜以继日的探索和研究之下。终于，石墨烯的衍生物和复合材料成功面世。它们不仅强化了石墨烯的吸附能力，还顺带挖掘了它协同光催化材料增强废水处理效果的作用。

氧化石墨烯 -- 超强吸附作用

氧化石墨烯就是其中较为成熟的一种石墨烯衍生物。作为石墨烯的“进化体”，氧化石墨烯既完美继承了石墨烯该有的一切特性，又让其表面带上了强化吸附的利器：含氧官能团。

这些含氧官能团主要是一些“亲水基”，如-COOH、-OH等。它们使氧化石墨烯带上了良好的亲水性，既易溶于水，又能与亲水性物质稳固地结合形成复合物，从而对工业废水中的重金属离子和有机污染物有较好的吸附作用。

①对重金属离子的吸附

氧化石墨烯对重金属离子的吸附，主要通过静电作用和络合反应。

重金属在水中大多以阳离子形式存在，而含氧官能团一般带负电荷，通过静电作用，这部分阳离子重金属能够得到较好的吸附去除。其中，一些多价金属离子更容易和含氧官能团发生络合反应，通过离子交换，达到去除目的。有关研究表明，氧化石墨烯对水体中铅的吸附量是活性炭的10倍，其对汞的去除能力比其他吸附剂高 5倍。

②对有机污染物的吸附

氧化石墨烯对废水中的阳离子染料、芳香族化合物及高分子有机物等有机污染物具有较强的吸附作用，主要通过静电作用和π-π交互作用。含氧基团使氧化石墨烯表面带负电，通过静电作用，能够强有力的吸附废水中的阳离子污染物。而废水中的芳香族化合物则会和π-π键相互作用，发生有效吸附。

石墨烯类复合材料 -- 协同光催化材料提高水处理效率

众所周知，光催化反应作为一种环境友好型水处理技术，深受大众喜爱。其作用原理简单来说就是，利用光来激发半导体催化剂，引起氧化还原反应，从而氧化分解废水中的污染物。这一过程说起来还挺复杂，归纳一下就是涉及：电荷分离。只要保证了电荷分离的快和稳，这光催化反应效率就直线上升了。而石墨烯类复合材料因其杂化方式的特别，恰好就具备了较高的电子传输性能，可以实现快速的电子转移，降低光生载流子的复合。其与光催化材料结合，就能大大提高催化效率，达到协同处理废水污染物的目的。

被大家称为“21世纪最佳光催化材料”的二氧化钛，本身已经具备很好的光催化能力。但经过实验对比，二氧化钛/氧化石墨烯复合物又进一步提高了光催化能力，增强了对有机染料的光降解效果。

另外，石墨烯类复合材料具备的巨大比表面积和薄到透明度极高的优势，还能够拓宽材料的光谱影响范围，提高利用光能的能力，更深一步在光催化过程中提高材料的吸附性能，实现废水洁净。目前石墨烯光催化应用这一点，已在城市黑臭水体治理中得到了较好的实践效果。

为什么现在石墨烯在工业废水处理市场还没有铺张开来？

这个问题不难回答：新材料行业通常有“三高三长”的特点：难度高、投入高、门槛高，研发周期长、验证周期长、应用周期长。任何一种新材料从研发、面世、试验，到投产、推广、应用，都是一个漫长且无知的磨合过程。石墨烯尽管有这么多优点值得应用，却抵不过它目前的困境：无法高效率、规模化制备。这也使得下游材料企业市场对它不太认可。需要大量实际应用案例来验证石墨烯的功能，又缺少资金投入来制备大量石墨烯，这说到底还是钱的事情。

如何稳定、高校、量产石墨烯及其衍生物和复合材料，用以满足不同应用领域的需求，将会是未来很长一段时间科研人员的重点研究课题。