《Journal of Hazardous Materials Advances》：Investigation of Graphene Nanoplatelets for Adsorptive Removal of Aqueous Munitions Compounds 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and Hexahydro-1,3,5-trinitro-s-triazine (RDX)
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本研究针对水体受炸药成分TNT和RDX污染的问题，系统评估了石墨烯纳米片（GnPs）的吸附性能。研究发现，GnPs对TNT和RDX的吸附速率显著高于传统颗粒活性炭（GAC），且对TNT的吸附容量更高。机理分析表明，TNT的去除主要依赖π-π相互作用，而RDX则以物理吸附为主。该研究为高毒性含能化合物的高效水体修复提供了新材料和理论依据。
军事活动和弹药生产过程中，2,4,6-三硝基甲苯（TNT）和黑索今（RDX）等含能化合物（MCs）可能进入水环境，因其高毒性和潜在环境风险引发广泛关注。传统降解技术虽能有效去除这类污染物，但可能产生二次污染产物，而吸附法作为替代方案具有操作简单、无副产物等优势。颗粒活性炭（GAC）是当前常用的吸附材料，但其微孔结构限制污染物扩散速率，且吸附容量有限。近年来，石墨烯纳米片（GnPs）因其高比表面积和独特二维平面结构，在吸附领域展现出巨大潜力，但其对TNT和RDX的吸附性能与机理尚不明确。为此，美国陆军工程师研发中心环境实验室的Luke A. Gurtowski团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，系统比较GnPs与GAC对TNT和RDX的吸附行为，揭示关键作用机制。
研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱表征材料表面特性，通过动力学实验、等温线模型和热力学分析评估吸附性能，并考察pH、离子强度及实际水体基质对吸附效果的影响。实验所用GnPs由XG Sciences提供，GAC为椰壳基材料；TNT和RDX溶液浓度分别设为100 mg/L和40 mg/L，吸附剂投加量为300 mg/L。
吸附动力学与机理
时间依赖性实验表明，GnPs对TNT和RDX的吸附速率均显著快于GAC，90%平衡吸附量（F=0.90）在45分钟内即可达到，而GAC需24小时以上。伪二级动力学模型（PSO）更适合描述GnPs的吸附过程（R2>0.995），表明其以表面吸附为主导。内扩散模型（IPD）分析显示，TNT在GnPs上的吸附存在两阶段扩散，而RDX仅表现为单阶段膜扩散，说明TNT的吸附涉及更复杂的界面传质过程。拉曼光谱中ID/IG值降低（GnPs为0.262，GnPs+TNT为0.124）进一步证实吸附以物理作用为主，未引起石墨烯结构缺陷增多。
吸附容量与等温线
Langmuir和Freundlich等温线拟合显示，GnPs对TNT的最大吸附容量（qe,max）达404 mg/g，高于GAC（103 mg/g）；而对RDX的吸附容量（91.1 mg/g）略低于GAC（117 mg/g）。但经比表面积标准化后，GnPs对两种MCs的单位面积吸附量均优于GAC，表明其平面结构提供了更高效的吸附位点。Freundlich模型更适合描述TNT在GnPs上的吸附（R2=0.996），暗示多层或非均匀吸附特征；RDX则更符合Langmuir模型（R2=0.971），倾向于单层吸附。
环境因素与实际应用潜力
溶液pH（1–9）与离子强度（0–1000 mM）的变化未对GnPs的吸附性能产生显著影响，证明其在不同水质条件下稳定性良好。在模拟地表水（取自密西西比州布朗湖）中，GnPs对TNT和RDX的去除率与去离子水实验结果基本一致，凸显其在实际环境中的适用性。热力学分析表明，吸附为吸热过程（ΔH>0），升温可促进吸附（ΔG随温度升高而降低）。TNT的ΔH（96.8 kJ/mol）暗示其可能存在π-π电子供体-受体作用，而RDX的ΔH（38.5 kJ/mol）则更符合物理吸附特征。
结论与展望
本研究明确揭示了GnPs作为高效吸附剂用于TNT和RDX污染水体修复的潜力。其平面结构赋予其快速吸附优势，尤其适用于突发性污染事件应急处理。π-π相互作用是TNT高效去除的关键机制，而RDX主要依赖范德华力作用。GnPs对环境条件的强适应性进一步支持其现场应用前景。未来需重点研究GnPs的再生性能、长期生态安全性及与其他处理技术的耦合工艺，以推动其在实际环境治理中的落地。
