Koolstofnanomaterialen voor de behandeling van met zware metalen verontreinigd water en milieusanering

Classificatie van koolstofnanomaterialen op basis van hun afmetingen

De nanomaterialen met alle drie dimensies kleiner dan 100 nm worden nuldimensionaal (0-D) nanomateriaal genoemd; voorbeelden zijn fullereen en kwantumdots [44]. De nanomaterialen met slechts één dimensie groter dan 100 nm en twee dimensies kleiner dan 100 nm worden eendimensionale (1-D) nanomaterialen genoemd, bijvoorbeeld nanobuisjes van koolstof en titanium [45, 46]. De nanomaterialen waarvan de twee dimensies groter zijn dan 100 nm worden tweedimensionale nanomaterialen genoemd, een bekend voorbeeld is grafeen. Driedimensionale materialen waarvan alle afmetingen groter zijn dan 100 nm worden driedimensionale (3-D) materialen genoemd; voorbeelden zijn grafiet en sommige composieten van nanomaterialen [46]. Afbeelding 3 toont enkele representatieve beroemde koolstofstructuren met verschillende afmetingen, bijvoorbeeld fullereen 0-D, enkelwandige koolstofnanobuisjes 1-D, grafeen 2-D en grafiet 3-D.

De voorbeelden van koolstof nanomateriaal van verschillende afmetingen

Toepassing van fullerenen bij milieusanering en waterzuivering

Fullerenen werden in 1985 ontdekt uit interstellair stof, en ze hebben een vijfhoekige en zeshoekige ringstructuur met gesloten kooien, weergegeven met de formule C_20 + m waar m is een geheel getal [49]. Ze hebben een hydrofoob karakter, een hoge elektronenaffiniteit en een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding en oppervlaktedefecten. Deze unieke fysisch-chemische eigenschappen maken ze tot een ideaal materiaal voor verschillende toepassingen zoals halfgeleiders, elektronica, biomedische wetenschappen, zonnecellen, sensoren, cosmetica, kunstmatige fotosynthese en oppervlaktecoatings [50,51,52]. Brunet et al. toonde aan dat hydrofiele gefunctionaliseerde fullerenen (C₆₀ ) zijn ook toegepast voor het doden van de pathogene micro-organismen in water door gebruik te maken van een fotokatalytisch proces. Fullerenen zijn ook ideale schone groene materialen voor waterstofopslag, omdat fullereenmoleculen gemakkelijk kunnen worden omgezet in C-C-bindingen naar C-H vanwege de lagere bindingsenergieën van koolstof en waterstof [27]. Van de fullerenen is gemeld dat ze de maximale opslag van 6,1% waterstof hebben vanwege hun chemie en moleculaire kooistructuur, en de fullereenstructuur kan gemakkelijk worden teruggedraaid vanwege de hogere CC-bindingsenergieën [3, 53, 54]. Geleidende koolstoflagen worden aangebracht op het elektrodeoppervlak van supercondensatoren en hun capaciteit is afhankelijk van het oppervlak, de poriegrootteverdeling en de elektrische geleidbaarheid [55, 56]. Op koolstof gebaseerde nanomaterialen bieden een hogere elektrische geleidbaarheid dan orthodox beschikbare materialen vanwege het grotere oppervlak [57]. Van composietmaterialen op basis van fullereen is gemeld dat ze een hogere specifieke capaciteit hebben van 135,36 Fg ^− 1 dan het pure grafeenmateriaal dat niet was gehybridiseerd met fullereen. Bovendien vertoonde composiet op basis van fullereen een betere retentietijd van 92,35%, zelfs na een oplaad-/ontlaadcyclus van 1000 [58]. Fullerenen zijn ook gebruikt in lithium-ionbatterijen als anode en zorgen voor een betere efficiëntie bij vervanging van niet-afbreekbare metalen anoden, wat gunstig blijkt te zijn in termen van efficiëntie en een milieuvriendelijk materiaal. De fysisch-chemische eigenschappen van fullerenen maken ze ook geschikte kandidaten voor de extractie van verschillende soorten uit de waterige media [59, 60]. Pickering et al. ontwierp in water oplosbare fullereenverbindingen en paste ze met succes toe als sensibilisator om reactieve zuurstofsoorten (ROS) in water te produceren bij bestraling van zichtbare en ultraviolette straling. De ROS kan de organische verontreinigingen in water fotodegraderen en daarnaast werken de in water oplosbare fullerenen (fullerolen) ook als antioxidanten. Het belangrijkste is dat fullerolen gemakkelijk uit het water kunnen worden verwijderd na het uitvoeren van de functie van fotodegradatie [53].

Er wordt aangenomen dat fullerenen soorten geadsorbeerd hebben door de penetratie van adsorbaten in de ruimten/defecten tussen de koolstofnanoclusters, en naast de defecten, de lagere neiging tot aggregatie en het grote oppervlak, maken ze bruikbare nanomaterialen die kunnen worden toegepast voor adsorptie van zware metaalionen uit water [61, 62]. Alekseeva et al. voerde vergelijkende studies uit van fullereen en nanocomposiet-polystyreenfilm voor de verwijdering van Cu ²⁺ ionen; ze ontdekten dat fullerenen een betere efficiëntie vertoonden [60]. Ze hebben ook ontdekt dat fullerenen het Langmuir-adsorptiemodel voor Cu ²⁺ volgen. ionen [60]. Ze stelden vast dat de Cu ²⁺ verwijderingsefficiëntie van fullerenen is in het eerste geval hoger, en de evenwichtsisotherm van de Cu ²⁺ adsorptie op het fullereen past bij het Langmuir-model. Hoewel fullerenen een groot potentieel hebben voor wateradsorptie, zijn hun kosten te hoog, wat hun gebruik beperkt. De sporen van fullerenen kunnen echter worden gebruikt om andere materialen zoals actieve kool, lignine en zeolieten te fabriceren om hun adsorptie-efficiëntie te verhogen [63]. De fabricage van fullereen verhoogt het hydrofobe karakter waardoor materialen beter kunnen worden toegepast bij adsorptie en helpt ook bij gemakkelijkere recycling [64]. Er is gemeld dat antibacterieel materiaal wordt gevormd door enting van fullereen C₆₀ met polyvinylpyrrolidon (PVP) dat kan worden toegepast bij desinfectie van water. Membraantechnologie krijgt steeds meer aandacht bij het zuiveren van zouten, organische stoffen, deeltjes en gassen uit water. Membraanprestaties zijn afhankelijk van de samenstelling van het materiaal, omdat het verantwoordelijk is voor reactiviteit, selectiviteit en mechanische sterkte. Fullerenen hebben een sterk potentieel om te worden toegepast in membraantechnologie vanwege hun gemakkelijke functionalisering, hoge elektronenaffiniteit, grote sterkte, het vermogen om de grootte aan te passen, enz. Fullerenen kunnen handig zijn bij het enten van de nano-adsorbentia om hun adsorptie-efficiëntie te verbeteren.

Biocompatibiliteit van Fullerenen

Nanomaterialen op basis van fullereen zijn gebruikt voor biomedische toepassingen en verschillende onderzoeken hebben hun biocompatibiliteit met levende organismen aangetoond. Het is gebruikt als een bioreceptor en als een biosensor en wordt ook gebruikt in biomedische technologie, en er is gemeld dat het biocompatibel is met levende systemen [65,66,67,68,69]. Het fullereen is een niet-toxisch materiaal dat kan worden gebruikt voor filtratie, adsorbentia en membraanmateriaal voor milieu- en waterbehandelingstoepassingen.

Koolstofnanobuisjes (CNT's)

Koolstofnanobuizen werden ontdekt door Lijima in 1999, en ze kunnen een enkelwandig (SWCNT's) zijn, bijvoorbeeld gelaagd opgerold grafeen, of meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's), bijvoorbeeld meerlagig opgerold grafeen [70]. De CNT's zijn sinds hun ontdekking de focus van het nanotechnologieonderzoek geweest vanwege hun unieke fysisch-chemische eigenschappen. Deze cilindrische nanostructuurallotropen van koolstof worden toegepast in elektronica, halfgeleiders, veldemissie, energieopslag, katalyse, biomedische, lucht- en waterfilters, enz. Hun diameter kan variëren van 1 nm tot enkele nanometers met een groot specifiek oppervlak (150- 1500 m ² /g), en ze bezitten mesoporiën waardoor ze de ideale kandidaat zijn voor de verwijdering van zware metaalionen via adsorptie [71, 72]. Daarnaast kunnen CNT's gemakkelijk worden gefunctionaliseerd met verschillende organische moleculen, waardoor ze specifiek kunnen worden voor de selectie van adsorbaten en hun adsorptievermogen kan worden verbeterd [73]. Het sorptiemechanisme van zware metalen door CNT's is afhankelijk van het oppervlak, de elektrochemische potentiaal en het ionenuitwisselingsproces [11, 73].

Milieutoepassing van CNT's/CNT-gebaseerde groene technologie

De wereldwijde vraag naar energie neemt enorm toe en er worden veel inspanningen geleverd om een ​​eenvoudig, economisch en milieuvriendelijk materiaal te ontwikkelen voor betrouwbare technologieën voor materialen van energiebronnen. Zonne-energie wordt geproduceerd door zonne-elektrische omzetting en thermische zonne-omzetting [74]. Het lage rendement van thermische conversie in zonnecollectoren is echter de grootste hindernis.

Nanovloeistoffen van koolstof worden op grote schaal toegepast bij thermische zonneconversie vanwege hun goede prestaties als zonneabsorbeerders [75]. Op koolstof nanobuisjes gebaseerde fotovoltaïsche cellen (PVC's) kregen veel aandacht van wetenschappers omdat ze p-type halfgeleiders kunnen zijn met uitstekende mobiliteit en hun combinatie met elektronendonoren is een nieuw en uniek idee [76, 77]. De organische fotovoltaïsche apparaten kunnen eenvoudig worden ontworpen door de fabricage van CNT's met polymeren [78]. CNT -Si (pn) heterojunctie-gebaseerde zonnecellen zijn ontworpen met als resultaat uitstekende geleidende en transparante films. Daarnaast zijn CNT's met n-type galliumarsenide (n-GaAs) ook gemeld met een betere efficiëntie van 3,8% voor groene laser en bureaulamp [79]. CNT's zijn ook op grote schaal gebruikt voor energieopslagapparaten die werken volgens de principes van elektrochemische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) zoals ultracondensatoren [80]. Het opnemen van CNT's in elektroden van ultracondensatoren resulteerde in een veel verbetering van de levensduur met meer dan 300.000 cycli [81]. Daarnaast zijn supercondensator CNT's ook gebruikt in diodes in plaats van conventionele transistoren, omdat ze perfecte pn-overgangen kunnen maken vanwege hun uitstekende mechanische en elektrische eigenschappen [58]. CNT's zijn ook op grote schaal gebruikt in geavanceerde sensortechnologie omdat ze de gevoeligheid, selectiviteit, responstijd, kosteneffectiviteit en levensduur van de chemische en biosensoren kunnen verbeteren [90]. Deze resultaten suggereren dat betere CNT's ideale materialen zijn met uitstekende mobiliteit en betere efficiëntie zonder negatieve impact op het milieu, wat een groot nadeel is bij de meest algemeen toegepaste op metaal gebaseerde p-type materialen.

Toepassing van CNT's in fotokatalyse

Fotokatalyse is een van de geavanceerde technologieën die wordt toegepast voor de behandeling van afvalwater waarbij gebruik wordt gemaakt van halfgeleiders [82]. Er worden verschillende halfgeleidermaterialen toegepast namelijk Fe₃ O₄ , ZnO en TiO₂; de kwantumefficiëntie van deze materialen is echter niet hoog, en daarnaast is hun ultraviolette fotorespons ook traag [83]. CNT's zijn veelbelovende geavanceerde materialen voor de katalyse vanwege hun verbeterde kwantumefficiëntie, nanogrootte, hoge chemische stabiliteit, holle buisstructuur en uitgebreid lichtadsorptiegebied vanwege hun grote specifieke oppervlak [84]. Gao et al. ontworpen ultradunne netwerk-fotokatalysator-gebaseerde SWCNTs-TiO₂ en met succes toegepast voor de zuivering van water uit olie [85]. Park et al. versierd titania op aerogel van SWCNT's en met succes toegepast voor de verwijdering van methyleenblauw uit water [86]. Zhao et al. gefabriceerde MWCNTs-TiO₂ en aangevraagd voor de fotodegradatie van methyleenblauw [87]. Xu et al. ontworpen fotokatalysatoren door de combinatie van hydroxy-MWCNT's en PbO₂ nanokristallijne anode en met succes toegepast voor de verwijdering van pyridine uit water [88].

SWCNT's bij de zuivering van met zware metalen verontreinigd water

SWCNT's zijn eendimensionale (1-D) koolstofnanomaterialen die bestaan ​​uit een holle buis met wanden van één atoom dik. Dit 1-D materiaal vertoont uitzonderlijke fysisch-chemische eigenschappen door zijn unieke structuur. SWCNT's worden op grote schaal toegepast op verschillende gebieden, zoals halfgeleiders, elektronica, biomedische wetenschappen, chemie en biosensoren [44, 89,90,91,92,93]. SWCNT's worden ook veel gebruikt voor de beheersing van milieuvervuiling vanwege hun poreuze structuur, groot oppervlak, gemakkelijkere oppervlaktefunctionalisering en nanogrootte. Deze eigenschappen van SWCNT's zijn veelbelovend voor hun toepassing in waterbehandeling. Alijani et al. ontwierp op SWCNT gebaseerde nanocomposiet door ze te fabriceren met magnetiet-kobaltsulfide, en de resulterende nanocomposieten werden toegepast voor de verwijdering van kwik; resultaten toonden een hoge adsorptie van meer dan 99.56% binnen een kortere periode van 7 min [94]. In vergelijking hiermee bleken alleen SWCNT's 45,39% kwik te adsorberen [94]. Anita et al. voerde een moleculair dynamische simulatie uit van kale SWCNT's en hun gefunctionaliseerde tegenhangers, bijv. SWCNTs-OH, SWCNTs-NH₂ , en SWCNTs-COOH voor de adsorptiecapaciteiten van zware metaalionen, bijv. Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , Pb ²⁺ , en Hg ²⁺ uit waterige media. De resultaten toonden aan dat de SWCNT's-COOH veel adsorptiecapaciteiten hebben van ongeveer 150-230% hoger in vergelijking met kale SWCNT's. De SWCNTs-OH en SWCNTs-NH bleken zwak te zijn in adsorptie omdat ze slechts 10-47% hogere adsorptie vertoonden in vergelijking met SWCNT's [95]. SWCNT's-COOH zijn ook gemeld voor de adsorptie van Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , en Cd ²⁺ ionen met een adsorptiecapaciteit van respectievelijk 96,02, 77,00 en 55,89 mg/g. In vergelijking hiermee bleken niet-gefunctionaliseerde SWCNT's 33,55, 24,29 en 24,07  mg/g te adsorberen voor de Pb ^2+, Cu ²⁺ , en Cd ²⁺ respectievelijk ionen [96]. Zazouli et al. ontwierp SWCNT-nanocomposieten door ze te functionaliseren met l-cysteïne. Ze pasten de ontworpen nanocomposieten toe voor het verwijderen van kwik uit water. De adsorptie-efficiëntie van het ontworpen SWCNTs-cysteïne bleek 95% te zijn [97]. Gupta et al. ontwierp SWCNTs-polysulfon nanocomposiet-gebaseerd membraan en toegepast voor de verwijdering van zware metalen. Opname van SWCNT's resulteerde in een verkleining van de poriegrootte van het membraan en een gladder oppervlak. Het ontworpen membraan bleek een hoog afstotingsvermogen voor metaalionen te vertonen en verwijderde 96,8% Cr ^+ 6 , 87,6% As ^+ 3 , en 94,2% Pb ^+ 2 ionen. Het membraan zonder SWCNT's vertoonde slechts 30,3%, 28,5% en 28,3% afstoting voor Cr ^+ 6 , Zoals ^+ 3 , en Pb ^+ 2 ionen respectievelijk. Deze resultaten tonen de verbetering van de efficiëntie van het membraan door de inbouw van SWCNT's [98]. Dehghani et al. toegepaste SWCNT's voor het verwijderen van Cr ^+ 6 ionen uit het water en evalueerde het effect van verschillende parameters, bijv. contacttijd, initiële pH en initiële Cr ^+ 6 ionenconcentratie op de adsorptiecapaciteit. Er werd waargenomen dat de adsorptie-efficiëntie afhankelijk was van de pH, de maximale efficiëntie werd gevonden bij pH  2,5 en de adsorptie volgt het Langmuir-isothermmodel [99]. Deze studies suggereerden dat de enkelwandige koolstofnanobuisjes geschikt zijn voor de behandeling van met zware metalen verontreinigd water.

MWCNT's bij de zuivering van met zware metalen verontreinigd water

Koolstofnanobuizen met meerdere opgerolde lagen grafeen worden meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's) genoemd, zoals weergegeven in figuur 4. De MWCNT's vertonen unieke eigenschappen zoals een groot oppervlak, hoge elektrische, thermische geleidbaarheid en hoge treksterkte [100]. Vanwege deze fysisch-chemische eigenschappen worden ze veel toegepast in elektronica, zonnecellen, sensoren en biomedische wetenschappen [101,102,103]. De MWCNT's zijn ook op grote schaal toegepast in waterbehandeling, en met name zware metaalionen worden geadsorbeerd door chemische interactie met functionele groepen van MWCNT's. Van de geoxideerde MWCNT's is gemeld dat ze een hoge adsorptiecapaciteit en efficiëntie hebben voor de Cr ⁶⁺ , Pb ²⁺ , en Cd ²⁺ ionen uit het water [104, 105]. De adsorptie van metaalionen hangt ook af van de pH-waarde, en deze eigenschap kan worden toegepast voor de desorptie van ionen door de pH te veranderen, en MWCNT's kunnen opnieuw worden gebruikt. Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat plasma-geoxideerde MWCNT's betere adsorptie-eigenschappen hebben dan chemisch geoxideerde; dit kan worden toegeschreven aan een hoger aantal geoxygeneerde functionele groepen die aanwezig zijn op het oppervlak van de koolstofnanobuisjes. Verder is gemeld dat plasma-geoxideerde MWCNT's gemakkelijk kunnen worden gerecycled en hergebruikt [72, 106].

Meerwandige koolstof nanobuis (MWCNT) structuur

Het composietmateriaal van MWCNT's is ook gebruikt voor de adsorptie van zware metaalionen uit water. De MWCNTs-Fe₂ O₃ , MWCNTs-ZrO₂ , MWCNTs-Fe₃ O₄ , MWCNTs-Al₂ O₃ , en MWCNTs-MnO₂ -Fe₂ O₃ nanocomposieten zijn met succes toegepast voor het verwijderen van de zware ionen van Cr ⁶⁺ , Als ³⁺ , Ni ²⁺ , Pb ²⁺ , en Cu ²⁺ ionen uit water [107,108,109,110]. De experimentele omstandigheden van oplossingen, waaronder pH- en metaalionconcentraties, kunnen de adsorptiekenmerken van MWCNT's beïnvloeden, en het Freundlich-adsorptiemodel was tevreden met hun experimentele gegevens [81, 111]. De adsorptie-efficiëntie van gefunctionaliseerde MWCNT's nam toe in vergelijking met andere materialen van organische oxiden, en er wordt ook voorspeld dat gefunctionaliseerde MWCNT's 20 keer effectiever zijn in metaalionadsorptie dan niet-geoxideerde MWCNT's [112]. Algemeen wordt aangenomen dat verbindingen van ionen en het voorkomen van polaire oppervlakten van koolstof nanobuisjes het belangrijkste mechanisme van sorptie zijn [113, 114]. Geoxideerde MWCNT's hebben ook een uitzonderlijk hoge sorptiecapaciteit en efficiëntie laten zien voor Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , en Cr ⁶⁺ uit het water. De sorptie-efficiëntie van MWCNT's met zuurbehandeling verhoogt het potentieel om lood-, chroom- en cadmiumionen te verwijderen met een functionele zuurstofgroep, waardoor de complexen van ionen of precipitaten van zouten op de oppervlakken [115]. Adsorptie van MWCNT's behandeld met geconcentreerd HNO₃ neemt aanzienlijk toe, voornamelijk als gevolg van functionele zuurstofgroepen die op het oppervlak van aangezuurde nanobuisjes worden gecreëerd en die kunnen reageren met metaalionen om complexe of zoute precipitaten op het oppervlak te vormen. The MWCNT composites with certain compounds like iron (III) oxide, zinc oxide, and aluminum oxide are formed by a coprecipitation method, and resulting composites are successfully applied for the removal of chromium, nickel, lead, copper, and arsenic ions. The adsorption efficiency of these nanocomposites was found to be dependent on the pH value and temperature, and the sorption process can be accomplished by changing these parameters [116, 117]. Depending on the pH and temperature, the sorption capacity of these composites varied from 10 to 31 mg/g. The adsorption process for these nanocomposites was well described by the Langmuir model [118]. The nanocomposites of oxidized multiwalled MWCNTs with manganese oxide/iron (III) oxide are reported to remove Cr ⁶⁺ ions with maximum adsorption capacity of 186.9 mg/g with the maximum removal capacity of 85% at the optimum pH 2.1 studies. Their promising adsorption was due to the surface polarity of the adsorbents. It has also been reported that plasma-oxidized MWCNTs are better in adsorption compared to chemically oxidized ones as the prior ones have more oxygenated functional groups [119]. Plasma-oxidized technique has also been reported for the formation of nanotubes with titanium oxide and manganese dioxide and utilized for the removal of lead ions from water. The results showed that these hybrid systems can act as an effective adsorbent for the lead ions in the first case; the adsorption capacity was 137 mg/g, and in the second case, it was 78.74 mg/g [120]. In a heterogeneity adsorbent surface, sites combined twice are fitted in the isotherms models of the Langmuir-Freundlich equation that was used to differentiate between two types of adsorption sites with greater and lesser energy affinities for the Ni ²⁺ ions [121]. It is believed that nickel ion sorption mainly occurs at the sites of energy with modified nanocomposites of MWCNTs and the nano-modification leads to a 20% increase in the adsorption capacity at small (up to 0.1 mol/l) equilibrium adsorbate concentrations. Another modification reported for MWCNTs is their functionalization with hydroxyquinoline and their application for the removal of copper, lead, cadmium, and other toxic ions [122]. The carbon nanotubes alone as well as in their oxidized and in their composite forms have tremendous ability to adsorb the heavy metal ions, and a lot of research is in progress for their applications in purification of water. Elsehly et al. applied commercial MWCNTs for the removal of the manganese and iron which could reach 71.5% and 52% respectively with a concentration in aqueous solution of 50 ppm of these metal ions [123]. In another study, CNT-based nanocomposites have been applied for the removal iron and manganese from the water [124].

Biocompatibility of CNTs

Carbon nanotubes have great potential to be applied for multidisciplinary fields like drug delivery, diagnosis, biosensors, electronics, semiconductors, and environmental remediations [125]. Different studies revealed the biocompatibility of CNTs as it has been widely exploited for biomedical applications [126, 127]. Carbon-based materials like CNTs are safe to be applied for the environmental remediation and in particularly for water treatment.

Graphene Based Material for Environmental Remediation

Graphene-based material for the adsorption of gaseous contaminants

Carbon dioxide (CO₂ ) has been the environmental concern because of its immense effect in global warming [128]. Nanomaterials have been found to be promising materials as compared to conventional materials both with respect to cost and efficiency [129]. Graphene-based materials have been utilized for the adsorption of gaseous contaminants [130]. Gosh et al. showed the successful application of graphene-based nanomaterials for the capture of CO₂ en H₂ . A single layer of graphene has been reported to capture 37.93% of CO₂ [130]. Graphene has been reported to selectively adsorb CO₂ as compared to methane (CH₄ ) en stikstof (N₂ ) gases. Selectivity of graphene oxide (GO) for CO₂ can be attributed to higher dipole moment of carbon dioxide which can easily interact with polar oxygenated functional groups of CO₂ [74, 131]. Other studies have also been reported for tuning the graphene chemistry for the improved selectivity of the desired gaseous contaminant [75, 131].

Graphene Oxide in Removal of Organic Dyes from Water

Graphene-based nano-adsorbents are excellent advanced materials for the removal of the organic contaminants from the water because of their nano-scaled size, high surface area, ability to interact via pi-pi stacking, hydrogen bonding, and electrostatic interactions [26]. In comparative adsorption studies of GO and graphite using methylene blue and malachite green as standard organic dyes, it was found that GO showed much better adsorption than graphite [26]. GO has also been utilized for the removal of cationic dyes namely methylene blue (MB), crystal violet (CV), and rhodamine B (RhB) from water. It was found that the higher the initial dye concentration, the higher will be the adsorption with adsorption capacities of 199.2, 195.4, and 154.8 mg g ⁻¹ for MB, CV, and RhB, respectively [76]. GO has also successfully applied for the removal of anionic dyes like Acid Orange 8 (AO8) and Direct Red 23 (DR23) from aqueous solutions [77].

Graphene-Based Photocatalytic Materials for Water Decontamination

Although adsorption can remove the contaminant from water, the adsorption technique is unable to destroy/degrade the contaminants and disposal step is required [77]. Photocatalysis is a useful approach for water remediation/wastewater treatment for the complete degradation and mineralization of organic/biological contaminants [78]. Graphene-based photocatalysts have been reported for their improved activity because of their high surface area, nanosize, and more electronic movements as compared to the traditionally used materials [78, 132]. Rommozzi et al. designed reduced graphene oxide (rGO) with a greener reduction method using glucose and ammonium hydroxide and successfully designed a photocatalyst which is visible by the fabrication with TiO₂ . The designed rGO-TiO2 photocatalyst was successfully applied for the refractory dye named Alizarin Red S (ARS) [133]. In other studies, graphene oxide fabricated with TiO₂ and ZnO exhibited much photodegradation of methylene blue as compared to TiO₂ /ZnO alone [79, 80].

Graphene and Graphene Oxide-Based Adsorbents for the Purification of Heavy Metal-Contaminated Water

Graphene is one-atom-thick-layered hexagonal lattice of carbon atoms and is known as the thinnest material with the strength of 200 times than steel. Graphene was discovered in 2004 by Sir Andre Geim and Sir Konstantin Novoselov, who were awarded a Nobel prize for their discovery in 2010. Graphene (2-D) is being used widely in almost every field such as in touch screens, mobiles, LCDs, semiconductors, computer chips, batteries, energy generation, water filters, supercapacitors, solar cells, and biomedical and environmental sciences [134,135,136,137]. These 2-D graphene-based materials are getting more and more attention in water treatment due to their unique physicochemical characteristics namely electronic properties, high surface area, thermal mobility, high mechanical strength, and tunable surface chemistry [118, 134, 138, 139]. Tabish et al. designed porous graphene and applied it as an adsorbent for the removal of heavy metal ions as well as other pollutants from water. They applied this porous graphene material for As ³⁺ removal from water and found 80% efficiency. The material was found to retain its water treatment properties after regeneration and recycling [138]. Guo et al. designed a nanocomposite of partially reduced graphene oxide by its fabrication with Fe₃ O₄ via in situ co-precipitation method and applied it for the removal of Pb ²⁺ ions from water. The designed nanocomposite was found to be excellent in removing the Pb ²⁺ ions from aqueous solution with an adsorption capacity of 373.14 mg/g [140]. Zhang et al. functionalized the reduced graphene oxide with 4-sulfophenylazo (rGOs) and applied it for the removal of a variety of heavy metal ions from aqueous solution. The designed material showed the maximum adsorption capacity of 689, 59, 66, 267, and 191 mg/g for the Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , Ni ²⁺ , Cd ²⁺ , and Cr ³⁺ respectively [141]. Diana et al. designed a graphene-based self-propelled microbot system whose structure was made up of nanosized multilayered consisting of graphene oxide, nickel, and platinum. Each layer performed a different function, e.g., graphene oxide captures the heavy metal Pb ²⁺ ions, the middle layer of Ni enables the control of microbots with the help of external magnetic field, and the inner layer of platinum helps the engine in self-propelling [142]. The designed system was found to remove the 80% of the Pb ²⁺ water solution. Figure 5 shows the schematic illustration of the working principle of microbots. Yang et al. designed hydrogen beads using graphene oxide and sodium alginate (GO-SA) and successfully applied them for the removal of Mn ²⁺ ions from the aqueous solution with excellent adsorption capacity of 56.49 mg/g [9]. Zheng et al. designed nanocomposites by fabrication of zinc oxide with tea polyphenol with reduced graphene oxide (TPG-ZnO). Designed material was applied for the removal of heavy metal ions with an added advantage of antibacterial properties [143]. They applied this material for the removal of Pb ²⁺ ions from aqueous solution with adsorption efficiency of 98.9%, and the adsorbent was found to possess antibacterial properties against Streptococcus mutans with 99% eradication [143]. Mousavi et al. designed nanocomposites of graphene oxide with iron oxide magnetite nanoparticles Fe₃ O₄ and applied them for the removal of Pb ²⁺ ions from water and the material showed 98% removal efficiency with a capacity of 126.6 mg/g [144]. Considering functionalized graphene as an adsorbent to remove Pb ²⁺ ions from an aqueous medium, the highest record of Pb ²⁺ ion removal over graphene is 406.6 mg/g at pH of 5.0 in 40 min [145]. Graphene-hydrogel lingo sulfonate functionalized nanocomposites having oxygenated functional groups making the surface highly polar reported to increase the rate of adsorption of Pb ²⁺ ions with maximum efficacy of 1308 mg/g with the equilibrium reached in 40 min. Awad et al. modified graphene oxide with chloroacetic acid (GO-COOH) and ethylenediamine (GO-amino). The designed systems were applied for the removal of mercury (Hg ²⁺ ) from water and found that the nanocomposites (GO-COOH) and (GO-amino) have an adsorption capacity of 122 mg/g and 230 mg/g. In addition to this, designed systems retained their adsorption efficiency after the recycling process [146]. Yan et al. designed magnet graphene oxide for the rapid removal and separation of Fe (II) and Mn (II) from micropolluted water [147]. Ali et al. designed graphene-based adsorbent successfully for the removal of noxious pollutants namely Cu (II), Pb (II), Fe (II), and Mn (II) [148].

Scheme of GOx-microbot-based approach for lead decontamination and recovery. een Decontamination of polluted water using GOx-microbots fabricated by electrodeposition of nanolayers of graphene oxide (GOx), Pt/Ni layer, Ni magnetic layer, and Pt catalytic inner layer. The decontamination strategy for lead ions can be carried out by two different techniques:self-propulsion of the GOx-microbots in the presence of H₂ O₂ or by using an external rotating magnetic field. b Recovery of lead ions from the GOx-microbots in the presence of acidic media [117]

Biocompatibility of Graphene-Based Nanomaterial

Graphene-based nanomaterials have been applied in different fields like electronics, chemical sensors, biosensors, drug delivery, theragnostic, and other related biomedical fields. These studies also report the cytocompatibility of graphene-based materials both by in vitro as well as in vivo animal studies [122, 133, 149,150,151,152]. These findings suggest that the graphene-based materials are safe for the environmental remediation application as they are just used for the removal and degradation of pollutants and are not consumed by humans directly.

Activated Carbon in Environmental Remediation

Activated carbon is a fabulous material because of its high surface area, highly porous structure, and ease of preparation with variety of starting materials. Because of its ideal physicochemical properties, it has wide application in environmental remediations in different industries like pharmaceutics, fertilizer plants, petroleum, cosmetics, automobiles, and textiles [153] It is also widely applied for the adsorption of gases, solvent recovery, and wastewater treatment especially for the removal of organic dyes/other pollutants; not only this, but it is also used as a catalyst in biodiesel production. It is also applied as a low-cost material for the treatment and removal of water containing COD, BOD, and TSS and stabilizing and maintaining the optimum pH for biological uses [154,155,156]. Maguana et al. prepared activated carbon from the pear seed cake and successfully applied it for the removal of methylene having an adsorption capacity of 260 mg/g [157]. Antonio et al. prepared activated carbon from the kenaf plant and applied it successfully for the treatment of the wastewater of hospitals containing paracetamol as the main pollutant [158]. The above literature suggests that the activated carbon is the pretty useful economical material which can easily be prepared and it has immense application in environmental remediations.

Activated Carbon as Adsorbents in the Purification of Heavy Metal-Contaminated Water

Activated carbon (AC) is also known as activated charcoal, and this of type carbon material is formed under some treatment protocols resulting in micro/nanopores and having the large surface area of more than 3000 m ² [159]. The AC is produced on a large scale from coal, wood, and agricultural wastes [160]. In addition to its porous nature (as shown in Fig. 6), AC also has a high mechanical strength which enables its applications in catalyst support, capacitors, electrodes, and gas storage and most importantly used as the adsorbent for removal of metal ions, organic wastes, and gases from water [160,161,162]. The high mechanical strength of activated carbon enables its periodic cleaning, regeneration, and reutilization [160]. Abeer et al. reported the preparation of AC from apricot stone and its application in removal of Zn ^+ 2 and Al ^+ 3 ions with removal efficiency of 92% [163]. Ebrahim et al. designed AC from sewage sludge, applied it for the removal of Cu ^+ 2 ions from water, and found that the designed material showed maximum adsorption capacity of above 50% [164].

Different types of pores in activated carbon

Li et al. prepared the AC from sewage sludge produced from the wastewater treatment plant and functionalized it with sulfur [165]. They applied sulfonated AC for the removal of Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , and Ni ²⁺ ions from water. The adsorption capacity of metal ions were found to be 238.1 mg/g, 96.2 mg/g, 87.7 mg/g, and 52.4 mg/g for Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , and Ni ²⁺ respectively [165]. Cao et al. designed multipore activated carbon (MPAC) with a large surface area using the agricultural waste of long-root Eichhornia crassipes and applied it for removing heavy metal ions, e.g., Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , Ni ²⁺ , en Zn ²⁺ . They found that at 30 °C adsorption capacity being 1.34 mmol/g, 1.07 mmol/g, 1.22 mmol/g, 0.97 mmol/g, and 0.93 mmol/g for Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , Cu ²⁺ , and Ni ²⁺ respectively [166]. Dong et al. investigated the application of spent activated carbon (AC) for heavy metal ion removal from water and found high adsorption capacity of 95% and 86% for Pb ²⁺ and Cd ²⁺ ions respectively [167]. M. Bali et al. [168] applied commercial AC for the removal of heavy metal ions and found that adsorption equilibrium of Cd ²⁺ ion took 15 min while for Pb ²⁺ , Zn ²⁺ , en Cu ²⁺ it took 45 min with percentage removal of 64% for all these ions and with Cd ²⁺ being the highest [10]. Kongsuwan et al. prepared the activated carbon from the agricultural waste of eucalyptus bark. They applied it for the removal of Cu ²⁺ en Pb ²⁺ from water with maximum removal capacity of 0.45 and 0.53 mmol per gram of AC respectively, with adsorption being the main mechanism of ion uptake [169]. AC poultry litter has also been reported and applied for the treatment of heavy metal-contaminated water and found that for 1 kg of poultry litter AC adsorbs 404 mmol, 945 mmol, 236 mmol, and 250–300 mmol of Cu ²⁺ , Pb ^2+, Zn ²⁺ , en Cd ²⁺ ions respectively [170]. This adsorption is significantly higher than the commercially available AC derived from coconut and bituminous. The AC of wood saw dust of rubber plant has also been reported for the removal of heavy metal ions of Cr ^+ 6 from water with adsorption capacity of 44 mg/g [171]. AC formed from Moso and Ma bamboo was found to be highly efficient in removing the heavy metal ions, i.e., Pb ^2+, Cu ²⁺ , Cr ³⁺ , en Cd ²⁺ with the maximum adsorption capacity of more than 90% removal [172]. Naser et al. prepared AC from rice husk and applied them for the removal of Cu ²⁺ from aqueous solution, and maximum capacity was found to be 33.92%. Similar results have also been reported for the removal of Cu ²⁺ from the AC formed from Palm shell [173]. AC of love stones has been reported for the adsorption of Cd ^+ 2 and Ni ^+ 2 with adsorption capacity of 1.85 mg/g and 0.67 mg/g respectively in two different studies [174, 175]. AC prepared from olive stone using the microwave method has been applied for the removal of Fe ^2+, Pb ^2+, Cu ^2+, Zn ^2+, Ni ²⁺ , and Cd ^2+. from wastewater. Another study reported on the olive stone AC prepared via microwave to remove a group of metal ions from synthetic wastewater:Fe ²⁺ , Pb ²⁺ , Cu ^2+, Zn ²⁺ , Ni ²⁺ , en Cd ²⁺ with removal efficiency of more than 98% [176]. Tamarind wood AC has been reported for the highest adsorption capacity of above 97% for Pb ²⁺ from water [177]. Activated carbon has been applied as an adsorbent for the removal of Fe (II) and Mn (II) with great efficiency [178, 179]. The activated carbon is easy to synthesize, is cheaper, and is the most promising material for the adsorption of heavy metal ions and can be prepared at a large scale from a variety of carbon sources especially form agricultural waste. In addition to easier preparation, AC can easily be functionalized. Table 2 summarizes the effect of different parameters on the process of metal ion adsorption.

Biocompatibility of the Activated Carbon

Different studies have been conducted for the biocompatibility evaluation of the activated carbon materials prepared form different carbon sources. Activated carbon has been applied for the treatment of cystitis and was found to be effective and nontoxic compared to the antibiotics being applied [180]. Biocompatibility of activated carbon can be attributed to its inertness, and it has also been functionalized and fabricated with other materials to confer on the disinfection properties [181]. The activated carbon is also given orally to human beings as a sorbent for the removal of toxins from the human body and has also been utilized in biomedical applications [182, 183]. These studies strongly suggest the biocompatibility of the activated carbon.