《Carbon Trends》：Graphene-Based Materials for Water and Wastewater Treatment: A Comprehensive Review of Advances in Synthesis, Emerging Applications, and Future Directions
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本综述系统评述了石墨烯基材料（GBMs）在水处理领域的最新进展，重点阐述了其可控合成策略（如绿色合成）、功能化改性（如3D石墨烯泡沫、GO纳米带）以及在吸附重金属（如Pb(II)、Cr(VI)）、去除新兴污染物（ECs，如卡马西平CBZ、布洛芬IBP）和油类有机物方面的卓越性能（吸附容量较传统材料提升超30%）。文章深入探讨了材料构效关系、界面作用机制（如π-π堆积、静电作用），并指出了规模化应用面临的挑战（如成本、再生性）及与现有技术（膜过滤、电化学工艺）的整合策略，为开发高效可持续的水净化技术提供了重要参考。
石墨烯材料：基础与特性
石墨烯是一种由sp2杂化碳原子排列成的单层二维蜂窝状晶格材料，因其巨大的比表面积（理论值约2630 m2/g）、高电子迁移率、可调控的表面化学和优异的机械强度，在水处理领域展现出巨大潜力。其衍生物如石墨烯氧化物（GO）表面富含含氧官能团（如羟基-OH、羧基-COOH），具有良好的亲水性和分散性，为污染物吸附提供了丰富的位点。通过化学还原得到的还原氧化石墨烯（rGO）则部分恢复了石墨烯的导电性。三维（3D）石墨烯网络（如泡沫）通过化学气相沉积（CVD）或冷冻干燥法制备，具有更高的比表面积和互联的多孔结构，有利于污染物传输和吸附。
重金属的去除
重金属离子（如Pb(II)、Cd(II)、Hg(II)、As(V)等）因其毒性、持久性和生物累积性，对水环境构成严重威胁。GBMs，特别是GO，通过表面络合、离子交换和静电吸引等机制高效吸附重金属。例如，3D GO泡沫（GOFs）对Cd(II)、Zn(II)、Pb(II)等表现出高吸附容量和良好的循环使用性。GO与金属氧化物（如TiO2、Fe2O3）或天然聚合物（如壳聚糖）复合，可进一步增强吸附性能、选择性和材料的磁回收能力。
油类及其他有机污染物的去除
GBMs，特别是3D石墨烯结构，因其可调控的疏水性、高比表面积而成为有效的油类和有机溶剂吸附剂。例如，石墨烯-CNT气凝胶对石油产品、油脂和有机溶剂表现出极高的吸附容量（最高可达自身重量的165倍），并具有良好的再生性能。GO的两亲性使其能够通过π-π相互作用和氢键有效去除染料分子。磁性石墨烯基复合材料则便于吸附剂在外加磁场下的分离回收。
从石墨烯合成到水处理应用
GBMs的合成方法对其最终性能至关重要。传统的物理方法和CVD法可制备高质量石墨烯，但面临成本高或使用有毒化学试剂的问题。绿色合成路线使用植物提取物（如绿茶、丁香）或生物质衍生物（如甘蔗渣）作为还原剂，为环境友好型大规模生产提供了可能。多孔石墨烯（PG）通过活化（如KOH活化）获得高比表面积，增强了污染物吸附能力。GBMs也被集成到膜技术中，例如GO纳滤膜通过尺寸排阻和静电排斥实现了对染料和重金属离子的高效截留。
石墨烯基材料的植物毒性与生物安全性
随着GBMs在水处理中的应用增加，其环境行为和生物安全性受到广泛关注。研究表明，GBMs（尤其是GO）对水生生物（如藻类、水蚤）和植物（如水稻、小麦）可能产生毒性效应，包括诱导氧化应激、影响生长和繁殖等。其毒性取决于材料特性（如尺寸、氧化程度）和环境条件。GBMs还可作为载体，影响共存污染物（如砷）的环境行为和生物有效性。因此，在推广应用中需进行全面的生态毒理学评估，并发展安全设计策略。
作者建议与未来研究需求
未来研究应侧重于开发可持续、低成本、可规模化的GBMs合成方法，并深入理解其在实际水基质（复杂离子强度、天然有机物存在下）中的吸附行为、再生性能及长期稳定性。需要加强GBMs在连续流反应器中的性能验证，以及与高级氧化过程（AOPs）等技术的耦合研究。对GBMs的环境归趋、转化产物和长期生态风险需要进行系统评估。跨学科合作对于推动GBMs从实验室创新走向实际应用至关重要。
结论
石墨烯基材料作为新一代吸附剂和催化材料，在水和废水处理领域显示出巨大的应用前景。通过合理的材料设计和合成调控，其在去除重金属、有机污染物和新兴污染物方面表现出卓越的性能。然而，要实现其大规模实际应用，仍需在材料规模化制备、成本控制、再生循环以及环境安全性等方面取得进一步突破。
