氧化石墨烯治理重金属污染： 新材料解决老问题

毛毛鱼

氧化石墨烯治理重金属污染：
新材料解决老问题
本报记者 刘园园 滕继濮



    “中国人的身体就是一张元素周期表！”
    这一调侃虽未免夸张，却形象地表达了国人对重金属污染的担忧。2005年珠江支流北江镉污染、2006年湖南岳阳砷污染、2010年福建紫金矿业重大污染、2012年广西河池市镉污染……令人触目惊心的重大水资源污染事件敲响了水资源保护的警钟，重金属污染土壤问题也给我们的粮食安全生产提出了严肃的课题，也对有效治理水资源的重金属污染提出了更高的标准。
    目前，处理水资源中重金属的常用材料是活性炭、沸石和交换树脂等，而成本较低的活性炭和沸石吸附能力差，吸附能力强的树脂和碳纤维价格昂贵。近日，科技日报记者从利特纳米技术有限责任公司获悉，该公司“千人计划”海外特聘专家侯士峰博士团队自主研发的新型氧化石墨烯材料，有效解决了吸附能力和成本之间的矛盾。
    吸附力：活性炭的十几倍
    作为从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，石墨烯实际上是碳的二维结构。石墨烯成名的时间并不长：2010年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫凭借“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得当年诺贝尔物理学奖，石墨烯由此名声大噪。
    石墨烯出道虽晚，但来头可不小，随意说出它的几个特性都是世界之最：目前已知世界上最薄的材料，目前已知强度最高的物质，还是目前已知导电性能最出色的材料……
    近几年，石墨烯材料又凭借其优良的吸附性能找到了新的用武之地——用作水处理剂。2012年初，安德烈·海姆教授研究发现氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，洛克希德马丁公司斥巨资开发基于石墨烯材料的海水淡化装置，石墨烯材料有望在海水净化、污水处理等方面大显身手，目前，美国等国家在这方面也取得很大的进展。而侯士峰博士针对当前我国重金属污染物的现状及存在的问题，自主研发的用于环境重金属处理的新型氧化石墨烯材料也属世界首创。
    氧化石墨烯是一种从天然石墨制备的、与碳纳米管结构相似的碳纳米材料。侯士峰告诉科技日报记者，对比活性碳、碳纳米管和石墨烯材料对低浓度含铅废水的吸附能力，氧化石墨烯对铅的吸附量高达800mg/g，远高于活性炭的60至120mg/g；同时，氧化石墨烯具有极强的再生能力，多次重复吸附/洗脱循环后的吸附能力仅下降5至10%。
    氧化石墨烯何以拥有这么强大的重金属吸附能力？原因有二：一是氧化石墨烯是单原子层厚度的二维结构纳米材料，其比表面积理论上可达2600平方米/克，在所有碳纳米材料中是最大的；二是在氧化石墨烯的制备过程中，其表面形成了大量的活性基团如羧基、羰基、羟基、环氧基等。因此，氧化石墨烯具有一个性能优异的吸附剂所需要的最基本的要素：足够大的比表面积和足够高的表面功能基团密度。
    侯士峰介绍，利用氧化石墨烯材料可把铅酸电池行业含铅废水排放浓度从现在的100—1000ppb降低到1—10ppb、铅回收率提高到95%—99%，铅环境排放总量比现有技术降低90%。记者了解到，该成果可有效推广到镉、镍、砷、铜、铬、放射性元素等其他重金属污染体系，具有十分可观的经济效益和社会效益。
    可塑性：性能可以“定制”
    侯士峰告诉记者，利用氧化石墨烯纳米材料对水中有毒重金属的吸附机理，从重金属和氧化石墨烯的功能团之间的相互作用机制、氧化石墨烯表面结构对吸附能力的影响、吸附动力学和机制、氧化石墨烯的吸附和解吸特性等几个方向进行技术设计，可以有效地“定制”氧化石墨烯的吸附特性。
    以利特纳米材料技术有限公司目前比较成熟的氧化石墨烯功能化技术为例，通过功能化反应可以在氧化石墨烯表面引入功能性基团，这些基团键合到树脂、活性炭、碳纳米管等碳纳米材料上后对重金属表现出很好的吸附特性，显著提高其对铅、镍、铜等重金属离子去除能力。
    经过氧化石墨烯表面特异性基团的引入和表面分子水平的设计，氧化石墨烯材料的吸附特性会进一步升级，从而可以有效应对在处理水污染事件中的具体难题。记者了解到，“升级版”氧化石墨烯材料对金属离子的快速吸附特性大大增强（吸附饱和可在20分钟内完成）， 有效解决重金属突发污染事件所要求的快速处理问题。而且，这些吸附剂材料可洗脱重金属后重复利用，其总体经济成本可低于传统的沉淀法和常规的碳基吸附材料，解决运行成本高的问题。更重要的是，被吸附的重金属经洗脱后，可以100%彻底回收，从而彻底解决重金属泄漏处理后的二次污染问题。
    也许你会觉得，功能如此强大的新型材料肯定价格不菲，其实不然。侯士峰告诉记者，这也是大家一直心存疑虑的地方，其实，虽然高质量石墨烯的价格昂贵，利特纳米的功能化氧化石墨烯制作成本和鳌合树脂相当，但吸附容量高2—5倍以上，因此综合运作成本依然具有竞争性，在可接受范围内。
    高性价比为氧化石墨烯材料的市场推广提供了“敲门砖”。“我们现在正在计划和需要处理重金属污染的企业合作，建立标准氧化石墨烯材料深度处理系统和示范装置，达到无毒排放，并进一步进行实用体系的开发。同时发展重金属污染土壤的修复技术。”侯士峰向记者透露。
    石墨烯产业化：须突破多个瓶颈
    作为中国石墨烯及其相关材料制备与应用的市场化发展的先行者，利特纳米的产品包括石墨烯/氧化石墨烯制备，以及相关市场化开发。虽然在某些领域已经取得进展，但侯士峰非常清楚，作为一项新兴的产业，我国石墨烯产业化从2011年初才开始起步，目前，石墨烯生产普遍存在成本高、技术不成熟、产品不稳定等问题，必须完善技术，实现高品质石墨烯的规模化、低成本生产，才能真正推动石墨烯产业的可持续发展。
    “质量可控的石墨烯对其后续的应用非常重要，石墨烯的层数、纯度、大小、厚度、缺陷，都会对其性质产生影响。如石墨烯片的细微差别可对其电子和光学性质产生不同的影响。”侯士峰说：“利特纳米的理念是首先解决石墨烯产品均一控制等主要问题，在此基础上充分发挥其实际应用潜力。”
    侯士峰告诉记者，利特纳米材料有限公司利用自身的技术储备，不断探索材料高通量、多层次跨尺度一体化设计、高效制备和表征的新方法和新技术，并开发面向复合材料、能源和环境领域的石墨烯设计数据平台，实现石墨烯材料成分、结构和性能的精确调控。发展石墨烯绿色无污染制备技术，可实现环境友好、低污染、低能耗、高产率石墨烯工业化生产；设计具有原创性的石墨烯能源材料、复合材料；发展用于环境污染重金属处理材料；研发具首创性和前瞻性的石墨烯新材料。
    “坚持成熟的理论和设计理念对石墨烯的产业化发展十分关键。”侯士峰说。