氧化石墨烯(GO)，是石墨烯的一类衍生物，与石墨烯结构相似，具有独特的二维纳米片层结构。相较于石墨烯，GO表面具有丰富的含氧基团，如羧基、羟基、环氧基等，因此具有更好地亲水性。实验表明，石墨烯在水中的最大溶解度为0.175 g/L，GO在水中的最大溶解度则为0.712 g/L^[1]。因此，进入环境中的GO可能趋于汇聚于水环境介质中。近年来，GO因其独特的二维纳米结构、超大的比表面积和良好的水溶性，在功能复合材料、生物医学、生物传感器、能源及环境等领域得到日益广泛的应用^[2-5]。随着GO日益广泛的应用，在其生产、运输、使用和处置过程中不可避免地造成一定的环境污染，其水环境风险日益引起广泛关注。

聚沉是影响GO水环境归趋的一个重要过程，进而影响GO对水生生物的暴露途径和方式。研究表明，GO的水体聚沉行为不仅与自身的尺寸、氧化还原程度^[6]、表面结构和形态^[7]等理化性质有关，还受水体pH^[8]、离子类型及离子强度^[9]、溶解性有机质^[10]、光照^[11]、悬浮颗粒物及矿物质^[12]等环境因素的影响。其中，离子类型和离子强度是影响GO聚沉的主要因素。虽然离子类型和离子强度对GO的聚沉行为影响较为显著，但是一般的淡水水体中的离子含量并不足以使GO产生快速地聚沉现象。海水中则含有大量离子，且离子组成复杂，因此受海水影响的感潮河段、河口及近岸海水中的离子强度变化较大，可对进入该水体中的GO产生明显的聚沉。但是，目前的研究侧重于受某种特定离子影响而产生的聚沉，对近海不同盐度水体中GO的聚沉行为研究鲜见报道。因此，本文研究了GO在不同盐度水体中的聚沉行为，以期为研究GO在近海环境中的归趋和生态风险评价提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   实验材料

GO(纯度> 98%；层数：1~2层；直径：1~5 μm；C/O=64.71/35.29)购自中国科学院成都有机化学有限公司；天然海水取自大连市黑石礁附近海域，经砂滤处理，盐度为34.9，pH=7.9。

1.2   实验仪器

KQ-300DE型数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；SYA2-2实验室盐度计，中国国家海洋技术中心；DR6000紫外可见光分光光度计，美国哈希(HACH)公司；FE-20 pH计和AL 104电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；SCIENTZ-12N冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；场发射扫描电镜SUPRA 55，德国卡尔·蔡司公司。GO的平均粒径由Malvern公司的Zeta Sizer Nano ZS90纳米粒径及Zeta电位分析仪测定。

1.3   聚沉实验

称取一定量的GO置于具塞比色管中，加入去离子水，水浴超声1 h得到分散均匀的GO储备溶液。取天然海水，经0.45 μm的混合纤维素酯膜过滤，调节pH为8.0。将海水与去离子水以不同比例混合，得到实用盐度分别为30、20以及10的海水。参照上述配比，用不同盐度的海水稀释氧化石墨烯储备溶液，得到3种盐度下，浓度分别为100、80、60、40、20、10、5及2 mg/L的GO实验溶液。将不同浓度的GO实验溶液于室温下静置，观察GO的聚沉情况，并分别于0、1、2、3、4、5、6、8、12、24和48 h吸取溶液上清液，测定其吸光度及pH。GO溶液浓度用233 nm波长处的标线进行定量分析。GO实验溶液静置24 h后，取溶液中沉淀进行冷冻干燥，用场发射扫描电镜进行表面特征表征。每次聚沉实验3组平行，聚沉实验重复3次。

1.4   数据分析

GO的聚沉过程采用溶液中GO浓度随时间的变化速率来表征。已有研究表明，纳米颗粒的聚沉过程服从一级衰减方程^[13]，如式1所示：

式中:C(mg/L)为t(h)时溶液中GO的剩余浓度；C₀(mg/L)为聚沉开始时溶液中GO的初始浓度；k为聚沉速率常数(1/h)。本文采用12 h前的数据计算GO的聚沉速率。

研究表明纳米材料的聚沉速率随离子强度的增加而加快，存在两个不同的聚沉阶段：反应限制阶段(慢速聚沉阶段)和扩散限制阶段(快速聚沉阶段)^[14]。由聚沉速率可以根据式2计算出纳米颗粒的聚集效率α。

式中：k_fast为理想状态下的快速聚沉速率常数(1/h)。根据α随盐度的变化曲线，确定纳米颗粒的临界团聚盐度。

2   结果与讨论

2.1   GO在去离子水中的聚沉

GO经超声后均匀分散于去离子水中，溶液呈棕黄色，无肉眼可见颗粒悬浮物。不同浓度的GO去离子水溶液的UV-Vis光谱图如图 1所示。GO去离子水溶液在233 nm波长处有最大吸收峰，溶液的吸光度A与浓度C呈现良好的线性关系(A=0.019×C+0.003, R²=0.999)。

图  1  GO去离子水溶液的UV-Vis光谱

Fig.  1  The UV-Vis spectra of the graphene oxidesolutionin deionized (DI) solution

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GO去离子水溶液静置后，发生比较缓慢地聚沉。聚沉现象在静置后的48 h内持续进行。聚沉颗粒较小，聚沉后溶液的UV-Vis光谱图峰形不变。根据吸光度与浓度的线性关系，计算出不同静置时间后，去离子水溶液中GO的剩余率，如图 2所示。由图 2可以看出，不同浓度的去离子水溶液均发生相似的聚沉过程。其中，0~6 h聚沉现象不明显，6~24 h内聚沉发展较快，24~48 h内的聚沉现象相对缓慢，48 h以后溶液中的聚沉仍在进行，但是沉降速度更加缓慢。以100 mg/L的溶液为例，6 h后中GO的残留率为95%，12 h为79%，24 h为50%，48 h为30%。由此可见，GO分散于去离子水中后，呈现较好的分散稳定性，静置48 h后溶液中残留的GO为原始浓度的30%~50%。不同浓度的GO溶液的沉降速率差别不大，接近于0.01 1/h。因此，当GO进入离子强度较低的淡水环境后，部分GO可稳定分散于水体中，并可随水体流动而迁移，对淡水生物具有较高的暴露风险。

图  2  静置后GO在去离子水溶液的剩余率

Fig.  2  Residual rates of the graphene oxide in DIsolution after settling

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GO分散于去离子水中后，溶液的pH有所降低，而且随溶液浓度的升高，pH降低越明显(图 3)。随静置时间的延长，高浓度溶液的pH变化并不明显，低浓度溶液的pH则在6 h内下降较为明显，在之后的6~24 h内pH变化不大，趋于平稳。GO上的羧基、羟基等含氧官能团使得其具有3个不同的pK_a，分别为4.3、6.6和9.8 ^[2]。当GO溶于水中，GO上的羧基和羟基等官能团发生去质子的解离和水化过程，使得水体pH下降^{[2, 15]}。水体pH降低后，将抑制羧基等官能团的解离，阻止水体pH的进一步降低。如果GO的水化是导致pH降低的主要因素，则高浓度GO溶液的pH也会随静置时间延长而持续下降，但是本研究中高浓度溶液pH变化并不明显。因此推测GO刚溶于水时，pH的变化主要是由于GO表面的酸性官能团解离导致。由于低浓度GO团聚较慢，其与水分子接触概率较大，水化作用缓慢进行，因此低浓度GO溶液的pH随静置时间逐渐降低。由此可知，一旦大量GO进入局部水体，可能导致该水体环境的pH发生明显改变，从而对pH敏感的水生生物造成不利影响。

图  3  GO去离子水溶液pH随静置时间的变化

Fig.  3  The change of pHof the graphene oxide solution in DI water with the settling time

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2.2   GO在不同盐度海水中的聚沉

随着海水盐度的增加，GO溶液逐渐变得不稳定，容易产生团聚而沉降。当海水盐度为2时，GO聚沉较慢，聚沉颗粒较为细小(平均直径d为3822.9 nm)。当海水盐度增至6~10间，GO聚沉明显加快，聚沉颗粒粒径明显增加(d=4368~6908 nm)。当海水盐度达到25或30时，GO聚沉速率非常快，呈絮状颗粒沉降(d=9592 nm)。GO溶液在0~6 h内沉降大部分。6~12 h内GO聚沉过程仍在进行，但是由于溶液中剩余的GO含量较低，该时间段内的沉降量相对于0~6 h时间段较少。12 h时溶液中的GO聚沉较为完全，因此采用0~12 h时间段的聚沉数据计算聚沉速率。根据吸光度值计算出12 h时GO溶液的剩余浓度值，采用一级衰减公式计算出GO溶液的聚沉速率常数。图 4给出不同海水盐度下，不同浓度的GO溶液的聚沉速率常数。

图  4  不同海水盐度下不同浓度的GO溶液的聚沉速率常数

Fig.  4  The sedimentation rate constant of graphene oxide with different concentration in different salinity

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由图 4可以看出，在同一盐度下，随GO溶液浓度的增加，聚沉速率有所增加，最终也趋于理想状态下的快速聚沉速率。随海水盐度增加，GO溶液的聚沉速率快速增加；当海水盐度达到8~10后，GO溶液的聚沉速率趋于理想状态下的快速聚沉速率。当盐度由2增加到10时，聚沉速率增幅较大。当盐度为4时，2、20和100 mg/L的GO溶液的聚沉速率分别为0.03，0.14和0.16 1/h。在10的盐度下，其聚沉速率分别为0.04、0.19和0.24 1/h，接近于盐度为30的聚沉速率(0.05、0.19和0.24 1/h)。Su等^[16]对石墨烯的水分散稳定性的相关研究也表明，少层石墨烯纳米材料的聚集速率随溶液浓度的增加而增大。在1 mmol/L的NaCl溶液中，1、2.5和3 mg/L的石墨烯溶液的聚集速率逐渐从0.06 nm/s增加到0.11和0.23 nm/s。

根据聚沉速率可以计算出GO纳米颗粒的聚集效率α。图 5给出GO溶液的α随盐度的变化图。随盐度的增加，GO溶液的α逐渐增大，并接近于1，呈现两个不同的阶段。这与经典的胶体稳定性理论(DLVO理论)相符。当盐度较低时，海水中的电解质通过压缩双电子层作用使GO的表面ζ电位降低，颗粒间斥力减小，但还不足以使静电斥力完全抑制，GO间需经过多次碰撞才能克服斥力产生团聚，其α＜1，此阶段称为反应限制阶段(或慢速聚沉阶段)，α随电解质浓度增加而上升；高盐度条件下，GO表面负电荷与金属阳离子结合，而且电解质压缩双电子层，使得ζ电位接近临界电位，能垒逐渐消失，GO一经碰撞就可发生不可逆的团聚，此阶段称为扩散限制阶段(快速聚沉阶段)，其α=1。这与GO溶液在不同离子强度溶液中的聚沉过程较为相似^[14]。

图  5  GO溶液的α随盐度变化

Fig.  5  The change of α with salinity in GO solution

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两阶段的交点即为临界团聚盐度(CCS)，表示使胶体颗粒发生快速团聚的最低电解质浓度。因此，可以求出2、5、10、20、40、60、80和100 mg/L浓度下GO溶液的CCS值，分别为11.84、8.53、6.99、6.79、7.33、7.69、7.64和7.89实用盐度。由此可以看出CCS随GO浓度先降低后升高。即在较低的GO浓度时，需要较高的电解质使GO聚沉；随着GO浓度的升高，产生聚沉所需电解质的量逐渐降低；对于浓度高于20 mg/L的GO溶液，聚沉所需电解质的量随浓度增加而增加。Chowdhury等^[17]报道聚沉10 mg/L的GO溶液的NaCl的临界团聚浓度(CCC)值为30~200 mmol/L；Wu等^[14]给出的NaCl的CCC值为188 mmol/L。对于30、188和200 mmol/L的NaCl溶液，其电导率分别为3.131、19.247和20.471 mS/cm。本实验中聚沉10 mg/L的GO溶液的CCS值为6.99实用盐度，其对应的电导率为10.991 mS/cm。该值介于30~188 mmol/L浓度的NaCl溶液对应的电导率范围内，且处于较低浓度值处。这可能与海水中共存多种离子，且高价态离子的聚沉效果较好有关。

在感潮河段和河口处，受上游淡水输入及海水上溯的影响，水体盐度变化剧烈。盐度变化在0~10的水域可能长达5~10 km ^[18-19]。如果上游有GO淡水污染输入，则可能在较长的水域内产生聚沉。在近岸海域，主要受海水影响，因此盐度在离岸较近的区域内快速增至外海盐度。这种情况下的GO排污，可能在离岸较近的海域发生聚沉，对近海的底栖生物存在较高的生态风险。

相同条件下，不同盐度的GO溶液静置24 h后的pH如图 6所示。随溶液盐度的升高，静置后溶液的pH越接近于原始水体的pH。由于高盐度水体(S=20和30)中氧化石墨烯聚沉现象剧烈，溶液初始浓度对pH的影响较小。盐度越低，水体分散稳定性越好，溶液pH受溶液初始浓度的影响越大。由此可见，盐度影响着溶液中氧化石墨烯的聚沉，进而影响着溶液的pH。当氧化石墨烯进入具有较高盐度的水体环境后，由于大量离子的存在可导致氧化石墨烯发生较快的聚沉，水体的pH变化不大，而且会在较短的时间内恢复到原始状态，对水体上层生物的影响较小。

图  6  静置24 h后不同盐度的GO溶液中pH的变化

Fig.  6  The change of pH of the graphene oxide solution with different salinity after 24 h settling

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2.3   聚沉对氧化石墨烯结构影响

将静置后得到的沉淀经冷冻干燥处理后进行扫描电镜表征。通过对比扫描电镜图可以发现，当氧化石墨烯在水中发生聚沉后，氧化石墨烯的整体结构没有发生明显变化，仍呈薄片形状，但边缘呈现不同程度的卷曲。研究表明当GO溶于水后，GO表面的含氧官能团发生解离和水化过程，使得GO表面带负电荷，由此产生片层间的排斥作用，从而导致GO片层边缘发生卷曲^{[15, 20]}。由于GO片层表面的水化反应使得GO表面产生了更多的含氧基团，限制了GO片层内自由电子的运动，从而导致GO片层的整体导电性降低。

3   结论

(1) 本研究表明，GO能够均匀分散于去离子水中，且降低溶液的pH。随着静置时间的延长，GO产生缓慢聚沉。若水体盐度处于较低水平，GO可以较稳定地分散于水体中，甚至被远距离输送，对水生生态系统构成暴露风险。

(2) 以往的研究多集中在单一离子或影响因素对GO聚沉现象的影响，但是天然海水离子强度大，成分复杂，多种因素都会对GO的聚沉产生影响。选用天然海水进行实验更能够模拟自然环境中GO的环境行为，更具有实际意义。

(3) 实验证明，GO分散于天然海水后容易发生聚沉。随分散水体盐度增加，GO溶液的聚沉速率快速增加，聚沉颗粒粒径明显增加；当海水盐度达到8~10后，GO溶液的聚沉速率趋于理想状态下的快速聚沉速率。GO在海水中的聚沉符从经典的胶体稳定性理论，GO纳米颗粒的聚集效率α随盐度的增加呈现两阶段过程。由此计算出2~100 mg/L的GO溶液的临界团聚盐度为6.79~11.84。在感潮河段和河口处，上游GO排放将在较长的水域内产生聚沉，对近海的生物存在较高的生态风险。