工业化进程的加速，导致工业废水排放量噌噌上涨，本就让末端的水处理行业压力与日俱增。

往往这些工业废水中还带有复杂的芳环结构或重金属离子，传统水处理工艺难以对其做到完全的分解、去除。

污水处理企业：屋漏偏逢连夜雨呐～

于是，行业内默默开启一阵内卷，纷纷寻找起去除率更高、处理污水能力更强的新工艺、新材料。

石墨烯，就是得到大家一致认可的新材料之一，也被笑称为“21世纪最有能力轻松攻克工业废水处理”的热门材料。

印度科学博士Ramavatar Meena曾说过，将石墨烯类复合物和反渗透结合，可以实现对染料、纺织类高浓度工业废水的高效处理。

那么，石墨烯究竟是如何实现对高浓度工业废水的高效处理的呢？

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。

石墨烯：好歹和钻石师出同门。

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。

看到这里，有的水处理人嚷嚷起来：就这“足球网”，用来处理复杂的工业废水？

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？大家继续看下去。

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；

石墨烯：我完美解释了什么叫“家大业不大”、“中看不中用”。

为了解决石墨烯的“硬伤”，让它早日“挺直腰杆做人”，研究人员也是在废寝忘食、夜以继日的探索和研究。

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。

石墨烯：就是这么不鸣则已一鸣惊人！基础在那里了，别羡慕，你们学不来~

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。

众人：天下武功，唯快不破啊~

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。

众人：双......双......双21世纪之光？！

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。

最新的研究

1、石墨烯上的“纳米海绵”可成为工业废水的高效过滤器

8月5日消息，维也纳大学的工程师们开发了一种新的复合材料，可以有效地过滤掉水中的有机污染物。该系统使用嵌入石墨烯片上的超多孔“纳米海绵”。

新过滤器的关键是一类叫做共价有机框架（COFs）的材料。这些结构是非常多孔的，使它们在很小的空间内拥有巨大的表面积，这意味着它们能有效地抓住大量的分子。被称为金属有机框架（MOFs）的相关材料正被研究用于碳捕获、海水淡化或从稀薄的空气中提取饮用水，而COFs可能具有一系列类似的功能。

在这项新的研究中，研究人员专注于使用COFs来去除水中的有机染料。这些化学品是工业废水的常见污染物，可能具有毒性和致癌性--更不用说难以去除。

该团队调整了COFs，使其有选择地抓住有机染料分子。这涉及到使孔的形状和大小合适--在0.8和1.6纳米之间--并使其表面带负电，以吸引带正电的染料分子。

但是还有一个障碍需要克服。当这种材料以粉状形式使用时，外缘的孔隙首先被分子填满，而中间的孔隙则是空的，基本上没有用处。因此，该团队开发了一种方法，通过在石墨烯薄片上种植COFs来分散它。

最终的结果是在石墨烯的单原子层上形成了两纳米厚的COFs层，这增加了该材料容纳有机染料分子的最大容量。石墨烯本身具有相当大的孔隙，允许水快速流过，同时COFs发挥其作用。

研究人员表示：“因此，石墨烯网络的大孔与超薄的COFs层及其大量的吸附点相结合，能够实现特别快速和高效的废水处理。”

研究小组表示，这项技术应该也是相当便宜的。不需要使用太多的石墨烯，而且COFs可以被清理出来并重新使用。

该研究发表在《Angewandte Chemie》杂志上。

2、一种珊瑚状石墨烯气凝胶用于废水处理

9月19日消息，珊瑚是一种古老的海洋生物，嘴边长着许多小触手，“肚”（内腔）被分成几个小房间（消化腔），海水流过这些小房间，将食物带入消化腔吸收. 珊瑚对水中食物的吸收和消化启发了我们的材料设计方法。四川农业大学Yanzong Zhang《Chemical Engineering Science》期刊发表名为“Synthesis of a superhydrophilic coral-like reduced graphene oxide aerogel and its application to pollutant capture in wastewater treatment”的论文，研究设计了一种 3D 仿生 ZIF-8@rGO气凝胶，在重复循环中具有高吸附性和稳定性。

ZIF-8 纳米颗粒具有孔结构和较大的比表面积，可作为许多触手并在 rGO 气凝胶上生长。在这里，rGO 气凝胶不仅可以作为基质，还可以作为可以容纳大量污染物的珊瑚状腹部。将 ZIF-8@rGO气凝胶浸入被 TC 污染的水中后，锚定的 ZIF-8 纳米颗粒会迅速寻找 TC 分子。此外，这种锚定结构延长了TC分子在“珊瑚腹”内的停留时间，同时增加了TC分子扩散的表面积。更令人印象深刻的是，我们的方法可以广泛用于过滤和保留染料，这对于其他潜在应用很有前景。

看到这里，有人要问了：说了那么多优点，为什么现在石墨烯在工业废水处理市场还没有铺张开来？

众人：好像生活污水处理市场也没完全铺开来啊。

石墨烯市场化应用难点

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。

对于水处理行业来说，一旦进行投产，我相信石墨烯的实际应用能力会比现在的多数实验数据更加出彩。

毕竟，是骡子是马，要拉出来溜溜才知道～

最后，之淮大胆猜想一下，距离实现“复杂工业废水处理起来没什么难度”，应该不会太远了。