黃志豪，柯秀裕，陳悅臻

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528041）

石墨烯作為由單層碳原子，以sp2 雜化形式構(gòu)成的二維蜂窩狀晶體碳材料，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)的優(yōu)良吸附能力[1]。其中以氧化石墨烯為主的石墨烯基材料能夠有效吸附廢水的有機(jī)污染物，但一般的石墨烯基材料的制備過程中都會產(chǎn)生大量污染物，并且在廢水處理過程中極易團(tuán)聚，降低吸附效率。而本文講述的三維氧化石墨烯凝膠過濾材料運(yùn)用特殊的工藝技術(shù)，使得三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的制備變得較為簡單化，減少在工藝上產(chǎn)生的污染，并提高吸附、抗團(tuán)聚的性能，為水資源保護(hù)和凈化提供理論。本文主要講述三維氧化石墨烯凝膠過濾材料在水資源保護(hù)、凈化方面的應(yīng)用。

1 氧化石墨烯作為吸附材料的優(yōu)勢

三維氧化石墨烯凝膠作為一種碳納米材料，運(yùn)用于水資源污染物吸附有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，主要有以下幾個方面的優(yōu)勢：①利用氧化石墨烯和殼聚糖都具有殺菌的特點(diǎn)，協(xié)同增效，保證了三維氧化石墨烯凝膠的水過濾效率；②有較強(qiáng)的截留微生物和抑制微生物生長的能力；③將吸附細(xì)菌后的三維氧化石墨烯凝膠經(jīng)過pH2 的酸處理后清洗，在殺死并去除微生物后能使三維氧化石墨烯凝膠重復(fù)使用，減少了原材料的浪費(fèi)；④該三維氧化石墨烯凝膠具有強(qiáng)穩(wěn)定性，在使用過程中不會造成水體的第二次污染；⑤采用獨(dú)特的工藝，使得制備方法較為簡易、低污染并且使用成本低。

2 三維氧化石墨烯材料在水污染物中的抗菌、吸附

2.1 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料

石墨烯在理論上具有巨大的吸附容量，但片層石墨烯之間很容易發(fā)生堆積，從而使石墨烯吸附位點(diǎn)數(shù)變少，影響其容量，同時，石墨烯作為碳材料的疏水性使其在水中的分散性很差，難以直接用作水污染物的吸附劑[2]。因此，現(xiàn)一些學(xué)者通過改變或橋接一些官能團(tuán)及衍生物從而改善其弊端，而三維石墨烯凝膠以石墨烯為原料，通過氧化法、超聲波、控制原料比及工藝條件，制備出結(jié)構(gòu)形貌可控的高剝離度氧化石墨烯，再依次經(jīng)過殼聚糖、溶膠化、冷干燥、封裝，得到三維氧化石墨烯凝膠。在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，通過構(gòu)建三維氧化石墨烯凝膠和調(diào)控形貌來提高三維氧化石墨烯凝膠的截留效率、抑菌和牢固性（使用時不溶解）。可協(xié)同增效抗菌、反復(fù)使用，利用氧化石墨烯和殼聚糖的抗菌活性，協(xié)同增效。

2.2 對其工藝進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化

經(jīng)過氧化、超聲、殼聚糖接枝、溶膠化、冷凍干燥、封裝等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，使三維氧化石墨烯凝膠制備變得較為簡單化，盡量在經(jīng)濟(jì)、操作等方面，使三維氧化石墨烯凝膠的制備達(dá)到最優(yōu)（技術(shù)路線圖1）。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的循環(huán)利用

將吸附細(xì)菌后的三維氧化石墨烯凝膠經(jīng)pH2.0 的酸處理后清洗，殺死并去除微生物，從而使三維氧化石墨烯凝膠可反復(fù)使用。

3 在工廠儲水、家庭水塔、水資源運(yùn)輸中的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)水資源存儲、運(yùn)輸?shù)瘸霈F(xiàn)的問題

自來水廠花費(fèi)巨額資金凈化出來的優(yōu)質(zhì)飲用水，有時送達(dá)用戶前在水塔、水管、飲水機(jī)中又受到二次污染，使得自來水到達(dá)居民時的水質(zhì)安全得不到保障。而長期飲用不潔凈的水，會導(dǎo)致人體消化道出現(xiàn)問題，甚至?xí)饌魅静?、各種皮膚病、糖尿病、癌癥、結(jié)石病、心血管病等多種疾病，危害人體健康。例如，水中結(jié)核分枝桿菌引起結(jié)核，輪狀病毒和腸胃病毒可導(dǎo)致腸胃炎，藻類產(chǎn)生藻毒素，進(jìn)入人體后會引起中毒，輕者引發(fā)腸胃炎，重者可以致人死亡。而市售家庭用凈水裝置對微生物只有過濾效果，長時間使用會滋生微生物，更換成本高，不易推廣，且更換時間點(diǎn)難以掌握。而在凈水裝置中加入抗菌劑，又會對飲用水造成污染。

3.2 石墨烯基材料的吸附作用

石墨烯基材料對無機(jī)污染物（如鎘、鉻、鉛、汞、砷、鋅等金屬離子以及硝酸根、磷酸根、氯離子等非金屬離子）的吸附作用主要依靠物理吸附、靜電引力、沉淀以及與材料表面官能團(tuán)之間的化學(xué)作用[1]。自來水廠花費(fèi)巨額資金凈化出來的優(yōu)質(zhì)飲用水，有時送達(dá)用戶前在水塔、水管、飲水機(jī)中又受到二次污染，使得居民飲用的水質(zhì)安全得不到保障。傳統(tǒng)家庭用凈水裝置對微生物只有過濾效果，時間長了以后仍然會滋生微生物，且難以循環(huán)再生、更換時間點(diǎn)難以掌握，越來越不能滿足人們對健康飲水的需求。而在凈水裝置中加入抗菌劑，又會對飲用水造成污染，因此，迫切需要研發(fā)出一種既有過濾殺菌、又不對水體造成再次污染，且能多次使用的新的凈水材料。

3.3 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的性能與應(yīng)用

氧化石墨烯具有大比表面積、多孔結(jié)構(gòu)以及韌性[3]，可以更好的應(yīng)用于水凝膠中。氧化石墨烯也在水凝膠中常常作為納米填料以增強(qiáng)水凝膠的性能，擴(kuò)展水凝膠的應(yīng)用[4]。而殼聚糖（CS）還具有抗菌抑菌的特性。早在1979 年，Allan 等[5]人就報(bào)道了殼聚糖具有抗菌效果，研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖對于各種細(xì)菌以及真菌都具有抗菌活性。本文講述了通過氧化法、超聲波、控制原料比及工藝條件，制備出結(jié)構(gòu)形貌可控的高剝離度氧化石墨烯，再依次經(jīng)過殼聚糖、溶膠化、冷干燥、封裝，得到三維氧化石墨烯凝膠，研制出對飲用水（水塔水、水管積水、飲水機(jī)等）微生物污染進(jìn)行在線過濾的可工業(yè)化應(yīng)用材料，具有高效截留、抑菌、可循環(huán)再生的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

三維氧化石墨烯凝膠，專門對飲用水中的微生物進(jìn)行吸附后殺死微生物，并對飲用水不造成污染，具有高效截留、抑菌、可循環(huán)再生的優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)行成本低。該研究有利于發(fā)展一類新型飲用水過濾材料，為廣大居民飲用合格水、優(yōu)質(zhì)水提供可靠的保障，并提升我國飲用水處理方面的水平和國際競爭力，其市場容量大、前景廣闊。

5 展望

現(xiàn)階段需要解決三維氧化石墨烯凝膠比表面積怎樣提高的問題。雖然氧化石墨烯比表面積大，但易通過共軛發(fā)生堆積，嚴(yán)重影響其對微生物殺菌效果和水的透過效率。氧化石墨烯與殼聚糖的協(xié)同增效的良好抑菌效率是研究的關(guān)鍵，還需要進(jìn)行完善實(shí)驗(yàn)。防止水資源的二次污染是保護(hù)水資源重要手段，相信在石墨烯基材料的出現(xiàn)后的新時代中，通過殼聚糖接枝、溶膠化、冷凍干燥等科學(xué)手段，得到具有高效截留、抑菌、可循環(huán)再生的優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)行成本低。該研究有利于發(fā)展一類新型飲用水過濾材料。