氧化石墨烯治理重金屬污染：新材料解決問題

    鋰電世界  “中國人的身體就是一張元素周期表！”這一調侃雖未免夸張，卻形象地表達了國人對重金屬污染的擔憂。2005年珠江支流北江鎘污染、2006年湖南岳陽砷污染、2010年福建紫金礦業重大污染、2012年廣西河池市鎘污染……令人觸目驚心的重大水資源污染事件敲響了水資源保護的警鐘，重金屬污染土壤問題也給我們的糧食安全生產提出了嚴肅的課題，也對有效治理水資源的重金屬污染提出了更高的標準。

    目前，處理水資源中重金屬的常用材料是活性炭、沸石和交換樹脂等，而成本較低的活性炭和沸石吸附能力差，吸附能力強的樹脂和碳纖維價格昂貴。近日，記者從利特納米技術有限責任公司獲悉，該公司“千人計劃”海外特聘專家侯士峰博士團隊自主研發的新型氧化石墨烯材料，有效解決了吸附能力和成本之間的矛盾。

    吸附力：活性炭的十幾倍

    作為從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，石墨烯實際上是碳的二維結構。石墨烯成名的時間并不長：2010年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫憑借“在二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得當年諾貝爾物理學獎，石墨烯由此名聲大噪。

    石墨烯出道雖晚，但來頭可不小，隨意說出它的幾個特性都是世界之最：目前已知世界上最薄的材料，目前已知強度最高的物質，還是目前已知導電性能最出色的材料……

    近幾年，石墨烯材料又憑借其優良的吸附性能找到了新的用武之地——用作水處理劑。2012年初，安德烈·海姆教授研究發現氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，洛克希德馬丁公司斥巨資開發基于石墨烯材料的海水淡化裝置，石墨烯材料有望在海水凈化、污水處理等方面大顯身手，目前，美國等國家在這方面也取得很大的進展。而侯士峰博士針對當前我國重金屬污染物的現狀及存在的問題，自主研發的用于環境重金屬處理的新型氧化石墨烯材料也屬世界首創。

    氧化石墨烯是一種從天然石墨制備的、與碳納米管結構相似的碳納米材料。侯士峰告訴科技日報記者，對比活性碳、碳納米管和石墨烯材料對低濃度含鉛廢水的吸附能力，氧化石墨烯對鉛的吸附量高達800mg／g，遠高于活性炭的60至120mg／g；同時，氧化石墨烯具有極強的再生能力，多次重復吸附／洗脫循環后的吸附能力僅下降5至10％。

    氧化石墨烯何以擁有這么強大的重金屬吸附能力？原因有二：一是氧化石墨烯是單原子層厚度的二維結構納米材料，其比表面積理論上可達2600平方米／克，在所有碳納米材料中是最大的；二是在氧化石墨烯的制備過程中，其表面形成了大量的活性基團如羧基、羰基、羥基、環氧基等。因此，氧化石墨烯具有一個性能優異的吸附劑所需要的最基本的要素：足夠大的比表面積和足夠高的表面功能基團密度。

    侯士峰介紹，利用氧化石墨烯材料可把鉛酸電池行業含鉛廢水排放濃度從現在的100—1000ppb降低到1—10ppb、鉛回收率提高到95％—99％，鉛環境排放總量比現有技術降低90％。記者了解到，該成果可有效推廣到鎘、鎳、砷、銅、鉻、放射性元素等其他重金屬污染體系，具有十分可觀的經濟效益和社會效益。

    可塑性：性能可以“定制”

    侯士峰告訴記者，利用氧化石墨烯納米材料對水中有毒重金屬的吸附機理，從重金屬和氧化石墨烯的功能團之間的相互作用機制、氧化石墨烯表面結構對吸附能力的影響、吸附動力學和機制、氧化石墨烯的吸附和解吸特性等幾個方向進行技術設計，可以有效地“定制”氧化石墨烯的吸附特性。

    以利特納米材料技術有限公司目前比較成熟的氧化石墨烯功能化技術為例，通過功能化反應可以在氧化石墨烯表面引入功能性基團，這些基團鍵合到樹脂、活性炭、碳納米管等碳納米材料上后對重金屬表現出很好的吸附特性，顯著提高其對鉛、鎳、銅等重金屬離子去除能力。

    經過氧化石墨烯表面特異性基團的引入和表面分子水平的設計，氧化石墨烯材料的吸附特性會進一步升級，從而可以有效應對在處理水污染事件中的具體難題。記者了解到，“升級版”氧化石墨烯材料對金屬離子的快速吸附特性大大增強（吸附飽和可在20分鐘內完成），有效解決重金屬突發污染事件所要求的快速處理問題。而且，這些吸附劑材料可洗脫重金屬后重復利用，其總體經濟成本可低于傳統的沉淀法和常規的碳基吸附材料，解決運行成本高的問題。更重要的是，被吸附的重金屬經洗脫后，可以100％徹底回收，從而徹底解決重金屬泄漏處理后的二次污染問題。

    也許你會覺得，功能如此強大的新型材料肯定價格不菲，其實不然。侯士峰告訴記者，這也是大家一直心存疑慮的地方，其實，雖然高質量石墨烯的價格昂貴，利特納米的功能化氧化石墨烯制作成本和鰲合樹脂相當，但吸附容量高2—5倍以上，因此綜合運作成本依然具有競爭性，在可接受范圍內。

    高性價比為氧化石墨烯材料的市場推廣提供了“敲門磚”。“我們現在正在計劃和需要處理重金屬污染的企業合作，建立標準氧化石墨烯材料深度處理系統和示范裝置，達到無毒排放，并進一步進行實用體系的開發。同時發展重金屬污染土壤的修復技術。”侯士峰向記者透露。

    石墨烯產業化：須突破多個瓶頸

    作為中國石墨烯及其相關材料制備與應用的市場化發展的先行者，利特納米的產品包括石墨烯／氧化石墨烯制備，以及相關市場化開發。雖然在某些領域已經取得進展，但侯士峰非常清楚，作為一項新興的產業，我國石墨烯產業化從2011年初才開始起步，目前，石墨烯生產普遍存在成本高、技術不成熟、產品不穩定等問題，必須完善技術，實現高品質石墨烯的規模化、低成本生產，才能真正推動石墨烯產業的可持續發展。

    “質量可控的石墨烯對其后續的應用非常重要，石墨烯的層數、純度、大小、厚度、缺陷，都會對其性質產生影響。如石墨烯片的細微差別可對其電子和光學性質產生不同的影響。”侯士峰說：“利特納米的理念是首先解決石墨烯產品均一控制等主要問題，在此基礎上充分發揮其實際應用潛力。”

    侯士峰說，利特納米材料有限公司利用自身的技術儲備，不斷探索材料高通量、多層次跨尺度一體化設計、高效制備和表征的新方法和新技術，并開發面向復合材料、能源和環境領域的石墨烯設計數據平臺，實現石墨烯材料成分、結構和性能的精確調控。發展石墨烯綠色無污染制備技術，可實現環境友好、低污染、低能耗、高產率石墨烯工業化生產；設計具有原創性的石墨烯能源材料、復合材料；發展用于環境污染重金屬處理材料；研發具首創性和前瞻性的石墨烯新材料。

    “堅持成熟的理論和設計理念對石墨烯的產業化發展十分關鍵。”侯士峰說。