综述：功能化碳基材料与膨润土插层的比较研究——基于PRISMA方法的综述

这篇综述系统比较了功能化碳基材料（如活性炭、石墨烯）和插层膨润土在重金属（Pb、Cd、Hg、As）废水处理中的性能差异，涵盖合成策略、表征方法、吸附机制及成本效益分析，为环境修复材料的选择提供了科学依据。

　　

引言

重金属污染对生态系统和人类健康构成严峻挑战。铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）和砷（As）等非降解性金属通过生物累积引发毒性效应，例如波兰南部男性血液中Pb浓度达4.48 μg/L，纽约沉积物中Pb含量高达461 mg/kg。传统处理方法如化学沉淀和膜过滤存在高能耗与二次污染问题，而吸附技术因其高效、低成本成为研究热点。

合成策略与最新进展

功能化碳基材料通过引入-COOH、-NH₂等基团提升性能。例如，氨基修饰活性炭对Pb的吸附容量达232.02 mg/g，而β-环糊精功能化生物炭可吸附131.24 mg/g的Pb。插层膨润土则通过插入聚合物或金属离子（如Al³⁺）扩大层间距，羟基铬插层后比表面积增加4倍，CO₂吸附量从0.93 mmol/g提升至3.15 mmol/g。

理化与结构特性

碳材料凭借超高比表面积（活性炭达3000 m2/g）和导电性（石墨烯4900 S/m）适用于高要求场景；膨润土则以阳离子交换容量（CEC）和溶胀性见长，钠基膨润土插层后层间距从12.4 ?增至23 ?。

吸附性能对比

功能化碳材料在复杂废水中表现更稳定：磁化活性炭对Pb、Cd的去除率超99%，而硫醇-木质素膨润土对Cd的吸附量达458.32 mg/g。但膨润土在低浓度处理中成本优势显著，如CTMAB改性膨润土对疏水分子吸附增强。

机制解析

碳材料依赖表面络合与离子交换，受pH影响较小；膨润土主要通过层间离子交换，在酸性环境中易受H⁺竞争抑制。有机质共存时，碳材料的π-π堆叠作用可维持选择性，而膨润土易受Ca²⁺干扰。

环境与经济权衡

碳材料合成能耗高（每克成本达200美元/mol），但可重复使用；膨润土天然丰富（成本低于1美元/mol），适合大规模应用。番茄籽废料吸附剂成本仅0.118美元/g，凸显生物质衍生材料的潜力。

挑战与展望

碳材料需解决再生稳定性问题，膨润土则需开发新型插层剂以提升效率。未来方向包括开发碳-膨润土复合材料，兼顾性能与可持续性，并建立安全的废吸附剂处置标准。

结论

功能化碳材料和插层膨润土各具优势，选择需综合考虑废水特性与成本。碳材料适用于高浓度工业废水，膨润土更适合低预算场景，而技术创新将推动两者在环境修复中的协同应用。