氧化石墨烯复合膜高效快速去除水体农药残留的机制与应用研究

针对水体农药污染治理难题，研究人员开发了GO@PVDF-HFP复合膜体系，通过TIPS/SL法制备的40% GO负载膜对THI吸附量达84.6 mg/g，45分钟内实现地表/地下水高效净化，揭示了氢键主导的化学吸附机制，为环境污染物治理提供了新材料范式。

　　

随着现代农业的发展，农药污染已成为威胁全球水安全的隐形杀手。其中新烟碱类杀虫剂噻虫啉（THI）因其高水溶性和强神经毒性，每年造成约1.5亿美元的市场损失，更可能通过食物链引发人类DNA损伤和肝毒性。传统处理方法如微生物降解需5天周期，光催化技术又面临能耗过高困境，开发高效低耗的治理技术迫在眉睫。

西班牙Graphenea S.A.与合作团队在《Chemosphere》发表的研究中，创新性地将氧化石墨烯（GO）与聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）结合，通过热致相分离（TIPS）和盐浸法（SL）制备复合膜材料。研究发现SL法制备的40% GO@PVDF-HFP膜具有84.6 mg/g的THI吸附容量，其性能提升源于三个关键突破：膜孔隙率提升2.3倍使活性位点暴露更充分、表面羟基含量增加促进氢键形成、以及GO纳米片的π-π堆积效应。该材料在真实水体中经5次循环仍保持90%以上效率，为农药治理提供了"吸附-过滤"一体化解决方案。

研究采用四大关键技术：①SEM/XPS表征膜微观结构，证实SL法形成10-50μm贯通孔道；②Langmuir模型拟合揭示单分子层化学吸附特征；③FTIR追踪C=O键位移验证氢键机制；④Zeta电位分析阐明pH5时静电吸附最优。

【研究结果】

1. 材料特性：SL法制备的膜材料接触角降低至65°，孔隙率达82%，比TIPS法高37%。XPS显示含氧官能团占比提升至28.6%，为THI提供结合位点。

2. 吸附动力学：伪二级动力学模型拟合R²>0.99，3分钟即可完成50%吸附，45分钟达平衡。40%GO负载膜的K₂值达2.3×10^-3 g/mg·min。

3. 实际应用：处理农业径流时去除率保持89.2%，地下水环境中吸附量仅下降6.8%，证明抗干扰能力。

【结论】该研究首次阐明GO膜通过氢键（-OH…N≡）和π-π共轭协同作用捕获THI的分子机制，开发的SL成膜工艺使处理成本降低至传统方法1/5。这种可规模化生产的薄膜材料，为构建"智慧农业-环境修复"闭环系统提供了关键技术支撑，其设计理念可延伸至其他新烟碱类污染物治理领域。