文丨栋栋不爱动

编辑丨栋栋不爱动

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前言

日益增长的用水需求和全球清洁水的短缺要求采用新的废水处理技术，其中吸附被认为是处理所有主要水污染物的最简单有效的方法，包括重金属离子、有机染料和有机溶剂。

石墨烯及其类似物已被可视化为从水中分离污染物的终极材料，其特性包括超疏水性、超亲油性、化学环境热稳定性、化学可操作性、可控形态、质地、孔隙率和可及表面积、易于加工、低密度、生物相容性和低成本合成等特性。

最后一部分阐明了石墨烯基泡沫 、气凝胶和复合材料/杂化物在分离金属离子、有机染料和各种油/有机溶剂方面的性能。

环境保护

在当前全球社会经济发展的情况下，环境保护是一个主要问题，并且已经采取了许多举措来处理空气，水，土壤，噪音和电磁污染。特别是水污染被认为是社会的一大威胁，并且正在做出巨大努力来防止淡水污染和净化受污染的水。

水污染被认为是科学和技术增长、工业革命和无知/无法获得有效废物管理战略的一个分支。将生活和工业废水废水排放到水体中不仅使水源不适合饮用，而且还对其在制药、农业、化学和工业应用中的效用产生不利影响。

在家庭和工业一级倾倒未经处理的废水，将有害物质，染料、铬化合物、铜、砷、铅、镉、汞、镍、钴和某些有毒有机化学品等重金属引入河流、湖泊和其他淡水水体。

这些污染物会影响水生系统中的光合作用并扰乱自我净化机制的水，一些水生物种的灭绝是其最严重的后果之一。

它们的急性暴露对人类健康构成严重危害 ，已知有机染料和重金属离子会产生有害影响，心率加快、呕吐、休克、发绀、黄疸、组织坏死、骨缺陷、肾损伤、瘫痪甚至死亡在某些情况下。

工业化学品和油泄漏和溢出到水体中也会扰乱水质并对水生生物产生不利影响。大规模溢油事故被确定为海洋生物的灾难性和破坏性情况。它还对基础设施、水下生态系统产生不利影响，并在旅游业、渔业、海产品部门和恢复这些部门的支出方面严重影响经济。

在过去的半个世纪中，在全球范围内进行了广泛的研究，以开发许多高效和智能的材料/技术，以有效处理含有各种污染物的废水，特别是金属离子，染料，油和溶剂。

在目前可用的机械、化学和生物水净化工艺中，混凝、絮凝、臭氧处理、化学氧化、膜过滤、离子交换、光催化和吸附，由于在工艺简单、成本效益、环境友好、适用于多种污染物和低能耗方面的具体优势，吸附做法成为最优选的商业上可行的解决办法。

吸附实践是分离金属离子的唯一最有希望的替代方法，否则很难通过光催化和膜过滤去除。而且吸收实践在选择性去除非极性污染物方面很普遍，矿物油或植物油、原油和常见有机溶剂从它们的水乳液或漂浮层中浮在水面上。

许多吸附吸收材料已被用于废水处理，包括沸石，硅胶，活性氧化铝、粉煤灰、聚合物和碳基材料。具有环境相容性、大规模可用性、高孔隙率、大比表面积和低成本的碳基体系最为有前途。具有高孔隙率和大比表面积的活性炭衍生物用于基于吸附的水净化多年。

它们的表面活化以增强吸附能力和以细颗粒形式释放二次污染物在水中的重要性限制了它们的效用。碳家族富勒烯，碳纳米管和石墨烯的新成员已经真正彻底改变了该领域，石墨烯是该家族的最新成员，由于其非凡的机械，热和化学性能以及非常高的比表面积，固有的疏水性，可调化学结构，具有成本效益和可扩展的合成。

对高效吸附剂和吸收剂开发的追求以及石墨烯科学技术的进步推动了设计选择高效石墨烯基吸附剂，了解其污染物捕获机制并评估其实际纯化性能的大量努力。

虽然吸附是一个广义的术语， 但潜在的吸附和吸收子过程分别是表面和体积相关现象 ，其控制因素完全不同。吸附过程取决于吸附剂-吸附物对的性质、吸附剂的可比表面积、污染物浓度、温度、pH等参数。

吸收受吸附剂的孔径体积、其质地和润湿性特性以及吸收剂种类的物理属性和吸收剂-吸收物界面特性的调节。在确定和设计合适的石墨烯基吸附剂或吸收剂之前，有必要详细了解吸附和吸收现象、相关术语、重要参数和控制经验方程。

吸附

术语吸附意味着存在过量浓度的分子物质，称为吸附物，在多孔固体表面，称为吸附剂，与其在吸附剂中的体积浓度相比。

吸附是由于吸附剂的表面颗粒与本体内部的颗粒不在同一环境中而引起的。在固体中，表面原子的价力不理想，激活表面。在这些活化的表面上，其他物质随着系统熵的降低而粘附。

吸附本质上是一个放热过程， 焓的变化幅度必须大于项“TΔS”的大小。随着吸附的进行，ΔH变得不那么负，最终变得等于TΔS，因此ΔG变为零并达到平衡。

术语吸附涉及仅在吸附剂表面上捕获吸附物。根据吸附剂与吸附物的类型相互作用，吸附可分为两大类，即涉及范德华结合力的物理吸附和化学吸附其中吸附剂和吸附物之间发生强化学键形成。

吸附是一种复杂的现象，需要系统的研究才能完全了解其机理、动力学以及影响吸附容量和速率的热力学参数。

在吸附物的单层或多层吸附的参与下，已经确定了均相和异质吸附类型。为了理解这些过程并解释吸附物在吸附剂和体积溶液上的平衡浓度，已经提出了几种吸附等温线和相关控制方程。

许多其他吸附等温线模型，即BET等温线 ，杜比宁-拉杜什凯维奇等温线，托特吸附等温线的提出来描述吸附现象。由于溶液相中吸附的精确机理仍然未知;单一的吸附模型并不普遍适用。

这些模型的有效性通常因吸附吸附剂-吸附物系统而异，并且还因溶液的pH值，溶剂的性质，离子强度等而变化。Freundlich和Langmuir吸附等温线是实验实践中常用的两种非常常见的方法。

由于吸附等温线方程的使用本质上涉及“曲线拟合”方法，因此回归系数值较高的模型被认为比回归系数值较低的模型更有效。

由于每个自发过程都是通过热力学参数的特征变化进行的，因此热力学参数，吉布斯自由能变化、焓的变化和熵的变化与吸附现象相关联，提供有关吸附过程中涉及的能量变化以及吸附取决于温度，压力等参数的其他热力学变量的全面知识。

吸附动力学

热力学处理过程的自发性，但它没有说明吸附过程的速度及其机理细节。采用吸附动力学研究来更好地了解吸附机理及其速率。由于溶液相中的吸附涉及两种以上的组分，即吸附物、溶剂和吸附剂，因此根据吸附系统的不同，已经提出了几种动力学模型。

吸收是化学物质进入吸收剂的本体相并分布在整个吸收剂中的现象。吸收过程可以是物理的或化学取决于吸收剂和吸收物质之间的相互作用。物理吸收有时被称为非反应过程，空气水界面处水中空气氧的吸收。

这种吸收现象与温度和压力高度依赖。在实践中，吸收剂的吸收能力取决于两种物质的界面表面积、接触时间和润湿性特性。超亲水材料优先从几种物质的混合物中吸收水分子，而超疏水表面倾向于排除水。

通过某些化学反应发生的反应性或化学吸收过程是通过碳酸钠的形成而发生的。由于吸附物的吸收是通过吸收剂表面发生的，因此固体吸收剂的表面性质对于决定其吸收能力、吸收速率等最为关键。

石墨烯基杂化物和复合材料的合成

浸涂实际上是一个两步过程，涉及在基材上涂覆氧化石墨烯，然后将涂层化学还原为还原。在典型的涂布工艺中，将海绵泡沫基材浸入的水分散体中指定时间并干燥以形成涂层泡沫。

溶液的浓度和浸干循环次数可以改变，以改变涂层厚度和均匀性，并最终改变负载。一旦达到所需的涂层负载，泡沫可以通过暴露于化学还原剂进行化学还原，从而形成涂层泡沫。

涂层的形成分别从泡沫的阴影变为褐色和黑色是显而易见的。浸涂工艺涉及涂层与泡沫之间的简单物理相互作用，在涂层均匀性和附着力差方面存在缺点。

在涉及化学接枝的改性版本中，将合适*能官**化衍生物化学接枝到携带互补*能官**团的基材上。与浸涂工艺相比，这种泡沫表现出更好的涂层均匀性和附着力。

结论

石墨烯基复合材料杂化物在水净化应用中具有巨大的潜力 。石墨烯与其他材料的固有特性在复合材料杂化物中诱导了额外的功能，反映在增强，表面积，孔隙率，柔韧性，感应磁性，改善的吸附/吸收速率和容量方面。

这些材料现出非凡的化学稳定性，具有良好的可回收性和耐久性，这是吸附材料的一些最关键属性。石墨烯复合材料与磁性纳米材料的杂化物中磁性的产生会妨碍缓解吸附剂的操作性及其回收过程。

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