炭材料在水污染处理中的应用

（一）活性炭

目前，用活性炭进行水处理，主要集中在以下两方面：

1.生活用水处理

自来水用活性炭处理可去掉多种有机质和各种臭味，也可除去由于氯气或漂白粉处理后生成的对人体有害的含氯碳氢化合物。张林军等人针对水厂水源受污染的情况，通过静态搅拌试验，对用粉末活性炭处理微污染源水时，粉末活性炭种类的选择、投加点以及投加量的确定等问题进行了研究。水厂生产应用结果表明，对突发性微污染源水采用投加粉末活性炭的方法投资相对较小、见效快，对水中的色度、有机污染物和酚类的吸附效果较好。

原芳以稻壳为原料制备了高比表面积的粉末活性炭，对其进行表征，所制备稻壳活性炭的碘吸附值和比表面积分别为1010 mg/g和1923 m2/g，并将其自来水源水净化效果与商品炭进行了对比研究。[10]研究表明，稻壳炭和商品炭对水中浊度的去除效果基本相同，对高锰酸盐指数的去除率分别为61％和50％；水样处理前后的GC-MS测试结果表明，稻壳炭和商品炭对自来水源水中有机物的去除率分别为71％和45％，说明所制备的稻壳活性炭比商品炭具有更加优良的吸附能力。

2.废水处理

废水处理时，要根据废水的来源、所含有害物质的种类等决定活性炭处理方法。国内活性炭的废水处理多用作三级处理。活性炭处理工业废水，有的单独使用，有的与其他方法配合使用。李国斌等人研究了以比表面积为1035 m2/g的粉煤灰活性炭为吸附剂、还原剂对含Cr（Ⅵ）的电镀废水进行了处理。溶液中Cr（Ⅵ）的质量浓度为50mg/L、pH=3、吸附时间1.5 h时，活性炭的吸附性能和Cr（Ⅵ）的去除率均达到最佳效果。实验结果表明：粉煤灰活性炭处理电镀废水，吸附性能稳定、处理效率高、操作费用低，有一定的社会效益和经济效益。粉煤灰活性炭完全可以用于处理电镀废水中的Cr（Ⅵ），去除效果接近于其他煤制活性炭，吸附后的废水可达到国家排放标准。

还需要指出的是，活性炭与其他方法连用处理洗浴废水的研究。具体而言，先经混凝剂处理、砂滤、臭氧氧化处理，大大降低浊度和COD，处理后的洗浴废水的COD值往往大于10 mg/L，而且当原水的COD较高时曝气后的水的COD更大。为了能达到洗浴废水的回用标准，因此必须对臭氧曝气后的水进行进一步处理。活性炭作为一种优良的吸附剂，因此采用活性炭过滤作为最后的处理。如此，一方面降低水样的COD以达到回用标准；另一方面用于对原水的除臭。实验研究表明，经活性炭最终处理后，洗浴废水达到回用标准，具有很好的效果，尤其对需要将COD值降至小于10 mg/L的回用水，不仅能使它们的COD值达到回用的标准，而且能除掉回用水的臭味。

（二）石墨烯(www.xing528.com)

石墨烯在水处理中的应用主要有以下两方面：

1.有机物的吸附

大分子有机污染物易与石墨烯表面的基团发生相互作用，形成稳定的复合物，石墨烯对其的吸附能力较强，因而许多学者研究了石墨烯吸附去除有机染料。例如，通过探讨不同pH值、接触时间、温度和浓度下，石墨烯对亚甲基蓝的吸附研究发现，吸附等温线符合Langmuir模型，最大吸附容量达到153.85 mg/g。动力学研究表明，吸附符合伪二级吸附模型，热力学参数表明吸附为自发、吸热过程。通过石墨烯对丙烯腈、甲苯磺酸、萘磺酸、甲基蓝的吸附研究发现。相比其他纳米材料，石墨烯的吸附能力较强，甲基蓝因具有大分子和苯环，石墨烯对其吸附速度更快，吸附容量更大。此外，经过5次吸附—脱附循环后，石墨烯对甲基蓝的吸附效果基本保持不变。值得注意的是，不同染料分子因其结构特性不一样，有机染料和石墨烯之间的电子传递速度和作用机理也不一样，表面带正电荷的有机物与石墨烯间的电子传递速度更快。

氧化石墨烯（GO）对有机物的去除研究目前多集中于有机染料。例如，用Hummers法制备GO，探讨GO对于亚甲基蓝（MB）的吸附。结果表明，GO对于MB具有较强的吸附能力，吸附容量达到714 mg/g，远高于碳纳米管（CNT）和石墨烯。该反应为放热过程，在低温和高pH值时的去除率较高，需要的平衡时间相比CNT短，这和石墨烯的高含氧量有关。他们认为，由于亚甲基蓝表面带正电，GO表面带负电，吸附作用机理主要是静电作用，而π-π键仅起到很小的作用。另外，对氧化石墨烯和用次硫酸钠还原的氧化石墨烯进行对比，去除染料吖啶橙，后者吸附容量达到3.3 g/g，而GO仅为1.4 g/g。还原后的氧化石墨烯将GO表面的羰基还原成了羟基，C-OH和C-H键增多，而GO去除该种染料分子的作用力主要通过氢键作用，因此还原后的氧化石墨烯的吸附能力反而更强。不同染料因其特殊的结构，去除机理也不一致。

通过化学法、热剥离法、紫外光辐射法、微波法等方法将氧化石墨烯表面的部分基团还原便可得到还原氧化石墨烯（RGO）。由于膨胀氧化石墨烯（EGO）表面带有羟基、羧基、环氧基和酮基等含氧基团，表面带有负电荷，对于阳离子性的染料具有很好的吸附效果，但对于阴离子染料去除效果不佳，将EGO还原得到的还原氧化石墨烯（RGO），具有较大的比表面积，同时表面的负电荷相比EGO有所降低。研究发现，RGO对于阴离子染料的去除率高达95％，对于阳离子染料的去除率也可至50％。

2.无机物的吸附

石墨在不同pH值、温度、反应时间下对氟化物的吸附性能的研究，主要采用液相直接剥离法制备石墨烯，即直接把天然石墨加在98％的浓硫酸和30％的H2O2的混合溶液中，借助加热制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。然后将其分散在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，并超声一定时间，得到所需的单层功能化石墨烯。结果表明，在298K下，氟化物的初始浓度为25 mg/L，石墨烯的吸附容量可达17.65 mg/g，功能化石墨烯对无机污染物的研究扩大了其在水处理中的应用范围。

相比在水中和极性溶剂中难分散的石墨烯，氧化石墨烯因为表面含有许多含氧基团，具有良好的亲水性，可通过功能基团的作用与其他聚合物稳固地结合形成复合物。另外，可以优化的Hummers法制备GO，探讨其对Cu2+的去除作用。吸附符合Langmuir模型，GO对Cu2+的吸附容量达到了46.6 mg/g，而碳纳米管与活性炭对Cu2+的吸附容量仅分别为28.5 mg/g和4～5 mg/g。同时，相比碳纳米管，GO的制备成本较低廉，制备过程也更简便。