综述：基于石墨烯的纳米吸附剂在水中对布洛芬的去除作用：综述

《Chemosphere》：Removal of ibuprofen by graphene-based nanoadsorbents in water: A review

布洛芬作为常见药物残留对水生态系统造成威胁，传统处理工艺效率不足。本文系统评估了石墨烯（GO/rGO）基纳米吸附剂对布洛芬的吸附性能，重点分析其表面特性（如比表面积、官能团）与吸附机制（π-π堆积、氢键、静电作用等）的关联性，探讨再生策略及实际应用瓶颈。

　　

金裕彬|崔钟秀|朴多熙|朴昌民|张敏|尹秉文|尹艺敏

韩国首尔梨花女子大学环境科学与工程系，03760

摘要

非甾体抗炎药（如布洛芬）是水生系统中检测到的最常见药物污染物之一，已在60多个国家的河流、湖泊和废水排放物中被发现。即使在微量水平下，它们的持久性和生物活性也会对水生生物和生态系统构成重大风险。传统的污水处理厂通常无法完全去除布洛芬，导致其持续释放和二次污染。本文评估了基于石墨烯和氧化石墨烯（GO）的纳米吸附剂（包括还原型GO和功能化GO复合材料）在去除布洛芬方面的应用。石墨烯衍生物具有较大的表面积、可调的孔结构以及丰富的含氧官能团，这些特性促进了与药物的π–π堆叠、氢键作用、疏水作用和静电吸引。报道的最大吸附能力因改性方法的不同而有很大差异。本文系统分析了影响吸附性能的关键因素，如pH值、初始浓度、剂量、接触时间、温度、背景离子和天然有机物。此外，还研究了吸附等温线和动力学模型，以加深对吸附机制的理解。尽管基于石墨烯的纳米吸附剂在去除布洛芬方面展现出巨大潜力，但在聚集、再生、可重复使用性和环境安全性方面仍存在挑战。本文总结了当前的研究进展和不足，为GO基纳米吸附剂在水处理中的实际和可持续应用提供了方向。

引言

城市化和工业化的快速发展导致了环境污染和不可再生能源的枯竭，这是因为人们对提高生活质量的需求不断增加（Zeng等人，2017年）。能源生产严重依赖水，因此受到水资源可获得性和可用性的限制（Guerra和Reklaitis，2018年）。在各种环境问题中，新兴污染物（包括各种化学化合物，如药物、农药、个人护理产品和内分泌干扰物）日益受到关注，因为它们对水生系统和饮用水供应构成了严重威胁（Akash等人，2022年；Osuoha等人，2023年）。这些物质通常用于医疗、工业和日常用途，在许多水体中被检测到，并增加了生态毒性风险，包括细菌耐药性的产生（Ahmadi等人，2017年）。

布洛芬是一种非甾体抗炎药，广泛用于治疗肌肉疼痛、偏头痛、牙痛和炎症等症状（Akash等人，2022年）。布洛芬的化学结构为2-(4-异丁基苯基)丙酸，包含一个芳香环和异丁基取代基以及丙酸基团，同时存在两种对映异构体（R型和S型）（Jan-Roblero和Cruz-Maya，2023年）。由于非甾体抗炎药的生产量每年波动数公斤（Parolini等人，2011年），大量使用布洛芬被认为是一种环境风险。在环境中，布洛芬的浓度范围为0.01至169 μg/L（Méndez-Arriaga等人，2010年）。布洛芬是一种具有生物活性的化合物，在环境中会积累，从而增加其对水生生物的毒性（Elersek等人，2016年）。布洛芬的毒性已在不同生物层次上的生物体中得到研究，并有不良影响的报道（Jan-Roblero和Cruz-Maya，2023年）。

传统的水处理技术（如混凝/絮凝/过滤和氯化）存在一些缺点，包括无法处理低浓度污染物、效率低下以及会产生二次污染物（Low等人，2021年；Pandian等人，2022年）。为了克服这些缺点，人们采用了各种基于纳米材料的吸附剂来有效去除布洛芬，包括碳纳米管（Bakr和Rahaman，2016年）、金属-有机框架（Babarao和Jiang，2009年）、MXenes（Jeon等人，2021年）以及石墨烯/氧化石墨烯（GOs）（Banerjee等人，2016年）。近年来，基于石墨烯的材料被用于去除包括布洛芬在内的药物（Ayati等人，2023年）。由于其多功能性、绿色合成方法、稳定性和环境友好性，石墨烯近年来受到了广泛关注（Akash等人，2022年）。图1显示了使用基于石墨烯的材料去除布洛芬的年度和累积发表论文数量的增加，反映了人们对其在水处理应用中潜力的认可。此外，石墨烯、GOs和还原型GOs（rGOs）等材料已被证明能高效吸附各种有机和无机污染物（Kim等人，2018年）。

在过去十年中，许多研究探讨了使用基于石墨烯/GO/rGO的材料去除各种污染物的方法（Gopika等人，2022年；Li等人，2019年；Lin等人，2021年）。由于这些材料具有独特的物理化学性质，如较大的表面积、可调的孔径、疏水性和丰富的官能团，它们在水处理领域受到了广泛关注（Kim等人，2018年）。此外，基于石墨烯的材料的电子特性使其能够在多种环境条件下通过非共价作用（如π–π相互作用、氢键作用、静电吸引和范德华力）实现高效吸附（Banerjee等人，2016年）。综述文章介绍了使用不同吸附剂（包括活性炭基材料、碳纳米管和改性粘土，如蒙脱石）去除布洛芬的情况（Ayati等人，2023年；Oba等人，2021年）。最近的研究还总结了使用多种吸附剂和处理技术去除布洛芬的方法（Dey等人，2025年；Osman等人，2024年；Siyal等人，2025年）。通过杂化和靶向功能化，基于GO的纳米吸附剂得到了改进，代表性的混合系统在水环境中表现出更好的吸附性能和稳定性（Bulin等人，2025b，2026年）。此外，通过实验表征与模型分析相结合，加强了吸附机制的解释，为基于GO的吸附剂的设计提供了相关见解（Bulin等人，2025a）。然而，尽管这一子领域发展迅速且具有独特的界面化学性质，但专门针对布洛芬去除的基于石墨烯/GO/rGO的纳米材料的系统研究仍然较少。因此，本文全面探讨了基于石墨烯/GO/rGO的纳米材料在水中的布洛芬去除效果，提供了最新的理解。与涵盖多种吸附剂和处理技术的广泛综述（Osman等人，2024年；Siyal等人，2025年）相比，本研究系统评估了操作条件和纳米材料性质对吸附性能的影响，阐明了吸附机制，强调了静电作用、氢键作用、疏水作用和π–π堆叠的相互作用，总结了再生和再利用策略，并指出了可持续水处理应用的研究方向。本文提供了关于基于石墨烯/GO/rGO的纳米吸附剂去除布洛芬的最新理解。具体目标包括：（i）系统评估操作条件和水质条件对这些材料吸附性能的影响，包括初始浓度、吸附剂剂量、pH值、动力学、等温线行为、搅拌速度、背景电解质、天然有机物（NOM）和温度；（ii）分析基于石墨烯/GO/rGO/GO的纳米吸附剂的物理化学性质（如表面电荷、官能团、亲水性和结构特征）与吸附效率之间的关系；（iii）阐明控制布洛芬去除的吸附机制，强调静电作用、氢键作用、疏水作用和π–π堆叠的相互作用；（ⅳ）总结基于石墨烯/GO/rGO的纳米吸附剂的再生和再利用策略，重点关注长期稳定性、可重复使用性和可持续水处理应用。此外，还简要概述了新兴的研究方向。

章节摘录

石墨烯、GO和rGO

由于其高度特定的表面积和可调的表面化学性质，石墨烯、GO和rGO在水处理和废水处理中受到了越来越多的关注（Obayomi等人，2022年；Zhu等人，2010年）。GO通常通过石墨的氧化剥离获得，生成了丰富的含氧官能团（如羟基、环氧基和羧基），这些官能团增强了亲水性，并为表面改性和复合材料形成提供了活性位点。相比之下，rGO

去除机制

理解吸附机制对于提高化学去除和分离过程的效率至关重要（Seo等人，2016年）。布洛芬在PANI-CS@GO薄膜上的吸附主要是由非电化学相互作用驱动的（Kumar和Barakat，2024年）。光谱证据支持了氢键作用、π–π相互作用、电子供体-受体作用、偶极-偶极相互作用和孔填充效应在吸附过程中的作用

基于氧化石墨烯的纳米吸附剂的再生

基于GO的纳米吸附剂的再生对于提高成本效益和可持续性至关重要，通常通过化学（酸、碱和溶剂）和热再生实现（Kim等人，2018年）。如图6a所示，活性炭-GO（AC-GO）是通过直接化学键合过程制备的，使用过氧化氢作为化学连接剂（Chenarani和Lotfollahi，2024年）。GO采用改进的Hummers方法合成，分散在水中后与AC结合

未来研究方向

大多数关于基于石墨烯、GO和rGO的吸附剂的研究都是在受控实验室条件下使用人工溶液进行的。试点和固定床实验表明，批量实验可能高估了吸附能力，而柱式操作在存在竞争离子和实际限制条件下提供了更可靠的放大预测（Nikic等人，2025年）。对于大规模处理，珠状或固定床配置可以降低压降并改善操作性能

结论

本综述表明，基于石墨烯的纳米材料，特别是氧化石墨烯（GO）、还原型氧化石墨烯（rGO）及其功能化复合材料，是去除水环境中布洛芬的有希望的吸附剂。它们的物理化学特性，包括高可访问表面积、含氧官能团和π共轭结构，使得它们能够与布洛芬分子发生多种相互作用。总体吸附性能受到多种因素的强烈影响

CRediT作者贡献声明

金裕彬：撰写初稿、验证、正式分析、数据管理、概念构建。崔钟秀：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构建。朴多熙：验证、软件使用、资源准备。朴昌民：验证、软件使用、资源准备。张敏：撰写与编辑、验证、方法学设计。尹秉文：撰写与编辑、验证、监督、概念构建。尹艺敏：撰写与编辑、监督

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能构成利益冲突。作为联合编辑和共同主编，朴昌民和尹艺敏均未参与本文的同行评审，也未获取与其同行评审相关的信息。本文的编辑工作完全由另一位期刊编辑负责。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）提供支持（项目编号RS-2023-00272059、RS-2024-00512818和RS-2025-00554489）。