《Next Nanotechnology》：Graphite-based nanocomposite for advancement of wastewater treatment: A comprehensive review
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本文系统评述了石墨基纳米复合材料在废水处理中的前沿应用，重点探讨了其合成、表征及对多种污染物（如重金属、染料）的高效去除/降解性能。文章强调了该类材料在吸附、催化（如光催化）和分离过程中的独特优势，并指出其在开发可持续、环境友好型水处理技术方面具有广阔前景。
1. 引言
全球水体的污染是一个严峻的环境问题，常规废水处理方法难以有效去除多种污染物，尤其对于新兴污染物（PECs）如全氟烷基物质（PFASs）和药品及个人护理产品（PPCPs）等。纳米技术为解决这些问题提供了新思路。纳米材料（尺寸在1-100?nm）因其独特的物理化学性质，在水净化、传感、医学和催化等领域展现出巨大潜力。在各种纳米材料中，石墨基纳米复合材料因其优异的电子、热学和机械性能而备受关注。石墨烯的衍生物，如氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（r-GO），以及石墨相氮化碳（g-C3N4）等，被广泛研究用于增强废水处理过程中的吸附、催化和分离性能。本综述旨在全面探讨石墨基纳米复合材料在推进废水处理技术方面的革命性潜力。
1.1. 石墨基纳米复合材料
石墨基纳米复合材料是以石墨或其衍生物（如GO、rGO）为增强相，与聚合物等基体复合而成的材料。其合成方法主要分为自上而下和自下而上两种。展示了石墨烯基纳米复合材料的多种合成工艺。这些材料具有高比表面积、优异的机械强度以及良好的电学和热学导率，使其在废水处理、机械增强、能源转换与存储乃至生物医学领域都具有广泛应用前景。对其特性的表征通常借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、紫外光谱（UV-SPECTROSCOPY）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等工具。
2. 石墨基纳米复合材料增强的吸附、重金属去除及催化性能
石墨基纳米复合材料作为新型纳米吸附剂，在去除重金属离子方面表现出色。其高表面积和丰富的官能团提供了大量的吸附位点。例如，GO对Pb(II)的吸附容量可达367 mg g-1，而SiO2/石墨烯复合材料对Pb(II)的吸附容量为113.6 mg g-1。经过化学修饰的复合材料吸附能力更强，如壳聚糖/GO复合材料对Pb(II)、Cu(II)和Cr(VI)的吸附容量分别高达461.3、423.8和310.4 mg g-1。EDTA功能化的磁性GO（EDTA-mGO）对Pb(II)、Hg(II)和Cu(II)也表现出高吸附容量。这些吸附过程通常受pH值、温度、污染物初始浓度和吸附剂特性等因素影响。
2.1. 使用石墨烯基纳米复合材料光催化降解染料
石墨基纳米复合材料，特别是与金属或半导体结合后，能有效加速光催化过程，降解有毒染料。例如，g-C3N4与Fe、TiO2等掺杂可提高光催化剂效率和电荷分离。石墨烯和GO复合材料与BiOBr、CeO2、TiO2等金属氧化物复合，可改善光吸收和电子传输。光催化降解机理涉及在光激发下产生电子-空穴对，进而产生活性氧物种（ROS）如羟基自由基（•OH），从而降解有机染料。展示了使用纳米复合材料降解染料的示意图。具体研究中，r-GO-TiO2对罗丹明B的光催化活性增强；GO-ZnO-Ag纳米复合材料在阳光下40分钟内可实现100%的亚甲基蓝降解；GO-Fe3O4–NiO纳米复合材料仅用2%的重量在15分钟内即可降解99%的甲基橙和结晶紫。
2.2. 石墨烯基纳米复合材料吸附去除染料
石墨烯基纳米复合材料也是高效的染料吸附剂。其吸附机制包括π-π相互作用、氢键、静电吸引和物理吸附。复合材料中丰富的含氧官能团和介孔结构促进了这些相互作用。例如，GO-海藻酸钠复合材料对亚甲基蓝的最大吸附容量为357.14 mg g-1；GO-纤维素纳米吸附剂对甲基橙的吸附容量在318 K时可达480.77 mg g-1，且在三次循环后仍保持90%以上的性能。展示了石墨烯基纳米复合材料对染料等污染物的常见吸附机理示意图。大多数研究报道吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线模型，表明是单层化学吸附。
2.3. 石墨基纳米复合材料去除其他污染物
除了重金属和染料，石墨基纳米复合材料还可用于去除其他污染物，如农药、药品和放射性核素。例如，磁性Cu基金属有机框架（MOF）与Fe3O4-GO纳米复合材料可用于吸附新烟碱类农药；磁性GO（MGO）可有效吸附美沙酮；铁-rGO和镍铁氧体-GO纳米复合材料可用于修复水体中的Th(IV)和U(VI)放射性污染。这些材料通常通过吸附和光催化协同作用来实现高效去除。
3. 影响吸附效率的因素
吸附效率受多种因素影响，主要包括：
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吸附剂特性：比表面积、孔体积、孔径分布、表面化学（官能团、电荷）。
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污染物特性：尺寸、形状、疏水性、官能团、芳香性、电荷。
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溶液条件：pH值（影响静电吸引/排斥）、温度（影响吸附热力学）、离子强度、天然有机质（NOM）的存在。
例如，较高pH值有利于带正电的污染物在带负电的GO/rGO上吸附。吸附通常是自发的，且接触时间、初始污染物浓度和吸附剂剂量都会影响最终去除效果和效率。
4. 可重用性与可持续性
石墨基纳米复合材料具有固有的稳定性、机械强度和可重复使用性，有助于其在废水处理过程中的可持续性。例如，氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）与TiO2的复合材料在紫外光下将亚甲基蓝的降解率从40%提高到85%。利用生物废物等天然来源合成这些材料，具有环境效益和成本优势。然而，石墨烯基材料（GBMs）的环境可持续性取决于合成方法、使用阶段影响和寿命终止处理。绿色合成方法（如电化学合成、水相工艺）和适当的表面功能化可以减少对环境的影响。进行生命周期评估（LCA）和“安全可持续设计”方法对于评估其整体可持续性至关重要。
5. 石墨基纳米复合材料的可持续实施
5.1. 再生与可重用性
石墨基纳米复合材料可以通过功能化和复合开发来增强性能。例如，GO与聚乙烯亚胺（PEI）功能化后可吸附汞；与磁性颗粒（如Fe3O4）复合便于分离。许多复合材料在多次吸附-解吸循环后仍能保持高性能。例如，GO-硅石（GO-Si）复合材料可经历五个再生周期；一些磁性复合材料在四到六个循环后仍能保持80%以上的吸附效率。
5.2. 效率
石墨基纳米复合材料能高效去除多种污染物。例如，功能化GO-PEI可有效吸附水中的汞；GO-硅石纳米复合材料对Pb2+和Hg2+的吸附容量分别达到347.2 mg/g和266 mg/g。锰铁氧体/GO/壳聚糖（CS）纳米复合材料在紫外光下可去除99.9%的活性红198染料和99.5%的亮蓝FCF 133染料，并能显著降低真实纺织废水的生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）。
5.3. 多次循环下的材料寿命
石墨基纳米复合材料在多次循环中表现出高度的可重用性和稳定性。例如，功能化GO-PEI在多轮吸附-解吸后仍保持强去除性能；GO/PVA/Fe3O4纳米复合材料对Co2+离子的吸附和再生至少可进行5个循环。良好的再生能力是其能够实际应用的关键。
6. 近期研究
2025年的一项研究制备了锰铁氧体（MnFe2O4）-石墨和GO-壳聚糖（CS）纳米复合材料，在紫外光下对染料展现出极高的去除率，并对真实纺织废水处理效果显著。其他研究探索了石墨烯/二氧化钛（G/TiO2）复合材料对有机染料的阳极电化学再生、Fe?-rGO复合材料对卡马西平的去除、以及磁性Fe3O4@rGO/CMK-3杂化纳米吸附剂对2-萘酚的吸附。还有研究利用从废锂离子电池中回收的石墨，经过纯化和改性后用于水处理，展示了资源可持续利用的潜力。
7. 实际应用与挑战
尽管实验室研究展示了石墨基纳米复合材料的巨大潜力，但其大规模实际应用仍面临挑战：
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规模化与成本效益：大规模合成（如改良Hummers法制备GO）的成本和环境影响需仔细评估。
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合成与功能化：开发高效、可规模化的复合材料和功能化方法仍存在困难。
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再生与处置：开发高效、稳健的再生技术对于长期成本效益和环境可持续性至关重要。
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环境影响与生命周期评估（LCA）：需要全面的LCA数据来评估从生产到处置的全过程环境影响。
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法规与安全：需要明确的法规框架来指导其生产、使用和处置，以确保人类健康和环境安全。
8. 结论
石墨基纳米复合材料代表了废水处理领域的一项重要变革，为应对全球水污染问题提供了高效解决方案。它们凭借高比表面积、优异的机械和电学性能，在吸附、光催化和分离过程中表现出色，能有效去除重金属、染料和新兴有机污染物等多种 contaminants。通过与金属氧化物、聚合物等材料的复合，其性能得到进一步优化。然而，要实现其广泛应用，必须克服大规模合成、成本控制、再生技术以及全面的环境和健康影响评估等挑战。未来的研究应致力于开发更绿色的合成方法、高效的再生策略，并进行深入的生命周期评估，以推动这类先进材料在下一代可持续废水处理技术中发挥核心作用。
