综述：用于水处理的纳米气泡技术：基础原理、变革性机遇以及大规模应用的挑战

《Journal of Water Process Engineering》：Nanobubble technology for water treatment: Fundamentals, transformative opportunities, and challenges to full-scale applications

水污染治理中，蛋壳生物炭及其与石墨烯氧化物（GO）复合材料的吸附与光催化性能被系统研究。通过共沉淀法制备GO/Biochar复合材料，并利用XRD、SEM、FTIR等手段表征其结构特征。实验表明：Biochar对Cr3?吸附效率达88%，GO/Biochar光催化降解MB和CR染料效率分别为74%和88%，且具有循环稳定性；同时，Biochar在潜指纹增强中表现出3级细节识别能力。

　　水污染问题在发展中国家尤为严重，主要原因是城市化进程的加快和人类活动的增加。这些污染不仅对人类健康造成负面影响，还对生态环境和气候变化产生深远的影响。为了解决这一问题，研究者们正在探索各种新型的材料和技术，以提高水污染治理的效率和可持续性。在这些研究中，生物炭（Biochar）和氧化石墨烯/生物炭复合材料（GO/Biochar）因其在吸附、光催化和潜在指纹可视化方面的应用潜力而受到关注。这些材料的制备和性能评估为水处理提供了新的思路。

研究者们采用了一种改良的Hummer方法，从蛋壳废弃物和氧化石墨烯中制备了生物炭和GO/Biochar复合材料。通过多种表征技术，如紫外-可见光谱（UV–Visible）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、动态光散射（PSA）和Zeta电位分析，对这些材料的结构、表面形貌、化学组成、粒径分布和表面电荷特性进行了全面研究。XRD分析显示，生物炭具有六方晶格结构，其晶粒尺寸为6.54纳米；而GO/Biochar复合材料则呈现出菱面体结构，晶粒尺寸为10.5纳米。这些结构特性对材料的吸附能力和光催化性能具有重要影响。

在光催化性能方面，研究发现生物炭的带隙为5.8电子伏特，而GO/Biochar复合材料的带隙略有降低，为5.6电子伏特。这种带隙的变化有助于提高材料对可见光的吸收能力，从而增强其在光催化降解中的反应活性。实验结果表明，生物炭在降解亚甲基蓝（MB）和铬（CR）染料方面的效率分别为88%和74%，并且遵循一级动力学规律。相比之下，GO/Biochar复合材料的降解效率稍低，但仍表现出良好的性能。此外，通过多次循环实验，研究者们还发现这些材料在光催化降解中具有一定的可重复使用性，能够在4个循环后仍保持较高的去除效率。

为了进一步理解光催化过程中涉及的活性物种，研究团队进行了自由基清除实验，使用了EDTA、苯醌（BQ）、二甲基亚砜（DMSO）和异丙醇（ISO）等试剂。这些实验结果表明，光催化降解过程中产生的活性物种主要包括超氧自由基（O?•?）和羟基自由基（OH•），它们在降解有机污染物和重金属离子方面发挥了关键作用。通过这些实验，研究者们能够更深入地了解材料的反应机制，并优化其性能。

在吸附性能方面，研究者们通过实验评估了生物炭和GO/Biochar复合材料对重金属离子（如铬、镉和铅）的去除能力。实验结果显示，这些材料在吸附过程中表现出较高的效率，能够有效去除水中的重金属污染物。吸附过程遵循二级动力学模型，表明吸附速率较快，且材料表面的活性位点较多，能够提供足够的吸附能力。此外，实验还考虑了pH值、染料浓度和吸附剂浓度等参数对吸附效果的影响，这些参数的优化对于实际应用中的废水处理具有重要意义。

生物炭因其高比表面积和丰富的孔隙结构，成为一种高效的吸附材料。蛋壳中含有大量的碳酸钙（CaCO?），约占94%。在高温处理过程中，碳酸钙会分解为氧化钙（CaO），而氧化钙能够与水反应生成氢氧化钙（Ca(OH)?），这些物质在吸附过程中起到了重要作用。此外，生物炭的表面含有丰富的官能团，如羟基（OH）、环氧基（C-O-C）和羧基（-COOH），这些官能团能够与污染物发生物理吸附和化学吸附，从而提高其去除效率。通过FTIR分析，研究者们发现生物炭的FTIR光谱中出现了明显的羟基伸缩振动峰（3641 cm?1），这表明材料表面存在大量的羟基，有助于提高其对有机污染物和重金属离子的吸附能力。

GO/Biochar复合材料的制备过程涉及氧化石墨烯的合成和生物炭的改性。氧化石墨烯的合成通常包括氧化、剥离和还原三个步骤。在氧化过程中，使用强酸（如硝酸和硫酸）和氧化剂（如氯酸盐和高锰酸钾）将石墨转化为氧化石墨烯。剥离过程则通过超声波处理或化学方法将氧化石墨烯的层状结构分离，形成二维的纳米材料。还原过程则通过化学还原剂（如氢氧化钠或水合肼）将氧化石墨烯还原为石墨烯。在这一过程中，氧化石墨烯的表面会形成大量的氧基团，这些基团不仅提高了材料的亲水性和水溶性，还增加了其比表面积，从而增强了吸附和光催化性能。

为了提高生物炭的吸附能力，研究者们将氧化石墨烯与生物炭进行复合处理。这种复合处理不仅增加了生物炭的比表面积，还引入了更多的活性位点，使其能够更有效地吸附污染物。通过实验，研究者们发现GO/Biochar复合材料在吸附铬离子方面的性能优于原始生物炭，这可能与其表面官能团的增加和结构的优化有关。此外，研究还发现，GO/Biochar复合材料在光催化降解有机染料（如亚甲基蓝和铬红）方面的效率有所提高，这表明氧化石墨烯的引入对材料的性能产生了积极的影响。

在实际应用中，这些材料不仅能够用于水污染治理，还可能在其他领域发挥重要作用。例如，生物炭因其对有机化合物和金属离子的强吸附能力，被广泛应用于石油废水处理。此外，生物炭的表面结构和化学性质使其成为一种高效的吸附剂，能够去除水中的重金属污染物，如砷（As(V)）、铅（Pb）等。这些重金属污染物在工业废水和农业废水中普遍存在，对生态环境和人类健康构成威胁。因此，开发高效的吸附材料对于水污染治理具有重要意义。

研究还涉及了指纹可视化方面的应用。生物炭因其表面的多孔结构和丰富的官能团，能够有效吸附指纹中的有机成分，如氨基酸和脂肪酸。通过实验，研究者们发现生物炭在指纹增强方面表现出良好的性能，能够达到第三级别的指纹增强效果。这一发现为生物炭在法医学领域的应用提供了新的可能性，特别是在犯罪现场调查和指纹识别方面。由于生物炭的制备成本较低且易于大规模生产，其在指纹可视化方面的应用可能具有较高的实用价值。

在实验过程中，研究者们还考虑了多种参数对材料性能的影响。例如，pH值对吸附过程的影响较为显著，不同的pH值可能会改变污染物的电荷状态，从而影响其与吸附剂之间的相互作用。此外，吸附时间和污染物浓度也是影响吸附效率的重要因素。通过调整这些参数，研究者们能够优化材料的性能，使其在实际应用中更加高效和稳定。

除了实验研究，研究团队还进行了理论分析，以进一步理解材料的性能和反应机制。通过计算和模拟，研究者们能够预测材料在不同条件下的吸附和光催化行为，并为其在实际应用中的性能提供理论支持。这些理论分析不仅有助于解释实验结果，还能够指导材料的进一步优化和改进。

研究的结论表明，生物炭和GO/Biochar复合材料在水污染治理和指纹可视化方面均表现出良好的性能。这些材料的制备方法简单且环保，能够有效利用废弃蛋壳和氧化石墨烯，为可持续的水处理技术提供了新的方向。此外，这些材料在吸附和光催化过程中的可重复使用性也为实际应用提供了便利，减少了材料的消耗和成本。

综上所述，这项研究为水污染治理和指纹可视化技术提供了新的解决方案。通过制备和表征生物炭和GO/Biochar复合材料，研究者们发现这些材料在吸附和光催化降解方面具有显著的优势。这些材料的制备方法简单，且能够有效利用废弃资源，具有较高的环保价值和经济可行性。此外，研究还发现这些材料在指纹增强方面的应用潜力，为法医学领域的技术发展提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索这些材料在不同环境条件下的性能，以及其在实际应用中的优化方案，以期为水污染治理和指纹可视化技术的发展做出更大的贡献。