《Sustainable Chemistry One World》：Functionalised Carbon-Based Aerogels: Synthesis, Characterisation, Dye and Heavy Metal Removal from Water: A Review
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本文系统综述了碳基气凝胶在废水处理中的应用，重点分析了其高比表面积、可调孔隙结构及生物质可来源性等特性，对比传统吸附法，凸显了碳基气凝胶在去除重金属和有机染料方面的高效性、可持续性和低成本优势，为未来大规模应用提供了理论依据。
阿比拉莎·亚达夫（Abhilasha Yadav）| 维尼特·库马尔（Vinit Kumar）| 阿洛克·萨兰（Alok Saran）| 普里娅·萨哈兰（Priya Saharan）| 乔蒂·拉尼（Jyoti Rani）
能源与环境研究卓越中心，迪恩班杜·乔图·拉姆科学技术大学（Deenbandhu Chhotu Ram University of Science and Technology），印度索尼帕特（Sonipat）穆尔塔尔（Murthal），邮编131039
摘要
合成染料和重金属的毒性、持久性和生物累积性在排放到水体中时会对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统的处理方法包括离子交换、混凝-絮凝、膜过滤、化学沉淀、电化学方法和活性炭吸附，但这些方法常常面临再生困难、污泥产生、运营成本高、污染以及选择性有限等问题。基于碳的气凝胶凭借其独特的物理化学性质（如超高的比表面积、可调的孔隙率、轻质结构、机械稳定性以及易于功能化）成为了一种先进的吸附材料，相比传统方法具有显著优势。这些特性使得碳基气凝胶能够有效去除有毒重金属（如Pb2?、Cd2?和Cr??）以及阳离子和阴离子染料。最新研究表明，碳基气凝胶在去除废水中的染料和重金属方面表现优于传统吸附剂。此外，从可再生生物质前驱体制备碳基气凝胶还体现了其经济性和可持续性，使其成为未来大规模废水处理的理想选择。
引言
技术的快速发展以及日常需求和供应需求的持续增长加剧了环境污染。过去20年来水质和量的变化表明，工业和农业扩张已经污染了垃圾填埋场和水道。水资源短缺、水资源竞争、水文灾害以及废物管理不善等问题都与人口增长、生活水平提高、气候变化以及水资源分配不均密切相关[1]。每年约有5亿吨废水从各种来源（包括农业和工业）排放到环境中[2]。主要的污染源包括采矿作业、造纸和纺织工业、金属及化肥工业以及农业废弃物。有机染料、联苯类化合物、农药、酚类物质、化肥、碳氢化合物、增塑剂、洗涤剂、油脂、油类、药品、碳水化合物和蛋白质等都是常见的污染物[3]。环境中的生物物种和食物链可能通过生物放大作用吸收这些化合物，并通过有机物的渗漏和生物降解将其重新释放回环境中[4]。如图1所示，含有染料和重金属的废水对人类健康造成了严重威胁[5]。染料和重金属带来的主要环境和健康风险包括毒性、生物累积性和生态系统破坏，这对全球健康构成了严重问题。因此，从废水中去除这些物质至关重要且具有科学意义。水中既存在有机污染物也存在无机污染物。无机营养物质（如磷或氮）会导致水体富营养化并破坏水生生物，而有机污染物（包括染料）可能直接或间接影响人类健康[2],[6]。此外，水中的有机染料会吸收阳光，从而提高水温，影响水生生物的生长发育并破坏自然平衡。由于化学稳定性和在水中分解缓慢，合成染料比其他污染物更具危害性[2],[7]。
每年，生产超过10万种商用颜色的工业产生的废水量超过7×10^5吨，其中大部分用于食品和纺织行业[2]。通过高效的废水处理可以减轻合成染料造成的环境危害。染料脱色过程可去除高达15%的污染物[8]。涉及固态晶圆加工、金属/表面处理和电镀等工艺的工业会产生含有有害重金属的废水。某些有毒金属（如铬、汞、铅、砷等）在这些废水中的浓度超过了允许的排放标准。铬（Cr）、镉（Cd）、铅（Pb）、锰（Mn）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）、汞（Hg）和铁（Fe）等金属对人类和生态系统极具危害性[9]。一个主要问题是，水生食品中的污染物容易被人体吸收，进而进入人类食物链。来自采矿、制革、化工制造、电池制造和冶金等行业的废水中可能含有这些有害重金属。因此，在将这些废水排放到环境中之前，必须通过适当处理去除其中的重金属和染料。处理水的主要方法包括过滤、沉淀和吸附[10]。由于其高效率和低成本，吸附技术是去除染料的理想方法[11]。最近的研究探讨了多种吸附剂（包括金属或金属氧化物纳米颗粒、活性炭和金属有机框架）在废水处理中的应用[12]。从组成和操作原理来看，吸附技术简单、有效且经济实惠。吸附剂的多孔结构和大比表面积使其能够有效捕获目标化合物。在研究的吸附材料中，气凝胶的应用正在迅速扩展。气凝胶是一类由于高度多孔结构而极其轻质的固体材料，它们通过溶胶-凝胶工艺和后续干燥过程从有机、无机或混合分子前驱体制备而成。气凝胶具有低密度、高孔隙率的特点，同时具备优异的疏水性、大比表面积、低热导率、可调表面化学性质和低电阻率。它们的孔隙率可达80%-99.8%，比表面积高达500–1000 m2/g，体积密度仅为3–150 mg/cm3[2]。气凝胶能对外界刺激作出反应，具有高比表面积和导电性，同时柔软且可弯曲[2]。它们能够以可持续、经济且安全的方式吸收多种废水污染物。由于生物材料的丰富性、可再生性、经济性和普遍可用性，它们已成为制备气凝胶的首选材料[13]。气凝胶之所以被称为“气凝胶”，是因为空气替代了液体而不改变其固体微观结构。由于其轻质、三维多孔结构、低密度、高孔隙率、可生物降解性和大比表面积，气凝胶成为高效的吸附剂[14]。研究已从二氧化硅（SiO?）气凝胶扩展到多种材料，包括无机材料（如各种烷氧基硅烷衍生的SiO?、TiO?、Al?O?、ZrO?等）、有机材料（如间苯二酚-甲醛、聚氨酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯等）、碳材料（如碳纳米管、石墨烯）、半导体硫属化合物（CdS、CdSe、PbTe）、天然材料（如纤维素和其他多糖及蛋白质）等[2]。为了开发用于水处理的可持续气凝胶，人们正在对纤维素、淀粉、壳聚糖、几丁质、卡拉胶和石墨烯等生物聚合物进行大量研究。生物聚合物因其丰富性、易获取性、低成本和可再生性而成为制备气凝胶的首选。其中，碳是最常见的植物基生物聚合物，引起了全球研究人员的广泛关注[15]。本文强调，基于碳的气凝胶在去除重金属和染料方面具有巨大潜力。古普塔（Gupta）等人的最新研究主要集中在纤维素基气凝胶的制备上，描述了其合成过程、结构特性和机械性能[15]。尽管这些研究提供了特定材料的相关信息，但建议进一步探索更广泛的气凝胶类型，特别是基于碳的气凝胶，以应对新的挑战并填补研究空白。当前的研究通过对多种碳气凝胶前驱体、溶胶-凝胶制备工艺、干燥方法、碳化和活化处理以及最终的物理化学性质进行了全面比较，还探讨了吸附机制、功能化技术和污染物去除效率[16]。这种更注重应用的视角使本文区别于以往的纤维素气凝胶文献，并突显了碳气凝胶在水处理中的重要性。
碳基气凝胶的分类
由于碳基气凝胶具有较大的比表面积、可调的孔隙率和化学稳定性，因此被广泛研究作为有效的环境修复吸附剂。它们可进一步分为以下几类：
碳基气凝胶的合成
作为一种新型气凝胶，碳基气凝胶相比传统气凝胶具有更多显著优势，例如更小的网络胶体颗粒直径、更大的比表面积、更高的热稳定性和化学稳定性以及更高的孔隙率。这些特性为碳基气凝胶在环境应用中的潜力提供了更多可能。因此，许多研究人员对其开发及其改进方法表现出浓厚兴趣。
碳基气凝胶的表征
为了确定气凝胶在特定应用中的适用性，需要对其机械、热学和物理特性进行彻底分析，如图3所示。此外，TEM、FTIR、XRD和SEM等分析方法提供了关于比表面积、官能团和结晶度的关键信息，有助于更好地理解其吸附性能。这些参数的测量对于评估吸附效率至关重要。
利用气凝胶去除废水中的重金属和染料
常用的去除染料和重金属的传统方法包括离子交换、化学沉淀、混凝-絮凝、膜过滤、电化学方法和活性炭吸附。这些方法通常存在污泥产生、运营成本高、膜污染、选择性差以及再生效率低等问题[124]。相比之下，碳基气凝胶具有更高的效率和可持续性。
气凝胶的成本效益分析与未来展望
气凝胶主要由二氧化硅[167]、活性炭[168]、氧化石墨烯[151]等材料制成。使用这些材料制备气凝胶可能会增加生产过程中的毒性、成本和环境污染。据Cuce等人[169]报道，用于绝缘用途的二氧化硅气凝胶的成本可能高达每克500美元。
结论
一种名为碳基气凝胶的多功能吸附材料能够克服传统染料和重金属处理方法的缺点。由于其分层多孔结构、高比表面积和可定制的化学性质，碳基气凝胶具有快速吸附动力学、高吸附容量和多次循环再利用的能力。与传统工艺相比，它们减少了二次排放，并实现了从生物质前驱体低成本、可持续的合成。
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CRediT作者贡献声明
阿比拉莎·亚达夫（Abhilasha Yadav）：撰写初稿、数据整理、概念构思。
维尼特·库马尔（Vinit Kumar）：资源提供、方法论设计。
阿洛克·萨兰（Alok Saran）：撰写与编辑、资源协调、监督工作。
普里娅·萨哈兰（Priya Saharan）：撰写与编辑、监督工作、资源协调、概念构思。
乔蒂·拉尼（Jyoti Rani）：撰写与编辑、监督工作、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
