海水淡化和废水处理对于淡水供应及解决全球水资源短缺问题至关重要[1]、[2]。在市面上现有的各种技术中，反渗透技术和超滤技术是处理海水和废水最常用的方法[3]、[4]。由于能耗远低于多级闪蒸蒸馏和多效蒸馏等热基处理方法，这些膜技术在水处理领域已占据主导地位[5]、[6]。全球大约65%的海水淡化项目使用反渗透膜，每生产1立方米淡水平均需要消耗3千瓦时的电能[7]。半透性的反渗透膜在较高压力下运行，能够实现极高的盐分去除率[8]。在某些情况下，超滤膜技术会被用于预处理环节，以提高反渗透技术在污水处理系统中的效率与使用寿命[9]。此外，由于抗污染能力强且能有效保持出水质量，超滤膜还广泛应用于膜生物反应器及混合反渗透系统中[9]。这类膜能够有效去除90%以上的大分子、胶体及细菌[10]。超滤膜和反渗透膜都是由聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈以及醋酸纤维素等富含碳的聚合物制成的[11]。尽管性能优异，但这些膜最终仍会遭受有机和无机污染，逐渐降低性能直至无法继续使用[12]。
全球范围内，每年都有超过840,000套使用5到10年后达到使用寿命限制的反渗透膜组件被填埋处理[13]。目前，人们正在采用多种废物再利用方法来处理这些不可生物降解的废弃膜组件[14]。例如，废弃反渗透膜可通过去除部分或全部顶层的聚酰胺选择性层来实现降级处理，进而将其用于纳滤、超滤或微滤等低选择性应用中。这些性能较低的再生产品可用于膜生物反应器、电渗析系统，或作为海水淡化过程中的预处理手段[15]、[16]。此外，这些废弃反渗透膜也可用于盐度较低的咸水环境中运行，因为此类环境对水压的要求较低[17]。除了直接重复使用外，废弃反渗透膜还被用作混凝土的填充材料，以提升混凝土的机械强度[18]。另外，经过热解处理的废弃反渗透膜还能产生石油、天然气以及碳点等具有附加价值的产物[19]。所有现有技术都依赖于多步骤的降级处理流程，这一过程不仅会消耗化学试剂，还会产生对环境有害的废弃物。不过，将废弃膜直接转化为具有多种功能的高附加值产品这一思路尚未被探索过。
激光诱导石墨烯的制备技术可以通过一步法在碳基基底上生成石墨烯[20]、[21]、[22]。激光烧蚀会在基底材料中产生超过2000摄氏度的局部高温，从而打破其中的碳键。这一过程促使芳香族分子重新排列形成石墨烯结构，而较小的分子则会以气体形式释放出来[23]。激光诱导石墨烯具有相对较高的表面积、良好的导电性以及出色的热稳定性，因此可应用于众多领域[21]、[24]。人们还利用椰壳、木质素、食物垃圾以及农业残留物等废弃物来制备可持续的绿色激光诱导石墨烯材料[25]。由于激光诱导石墨烯可应用于多种类型的聚合物，这一技术有望将原本要被填埋的废弃聚合物膜转化为具有功能性的多孔石墨烯材料。此前已有许多研究探讨了在可持续材料科学领域中实施减量、再利用、回收以及循环经济理念的相关方法[26]。费雷拉等人利用富含氧化锌的工业废弃物来改性激光诱导石墨烯电极，从而提升了其性能[27]。在另一项研究中，人们将从烹饪过程中收集的废弃物转化为碳纳米粒子，用于制造功能性材料[28]。
本研究首次展示了将使用寿命结束的膜组件转化为激光诱导石墨烯表面并应用于环保领域的可行性。鉴于废弃膜组件处理会对环境造成负面影响，以受污染的超滤膜/反渗透膜作为激光诱导石墨烯的基底材料，无疑是一种更为可持续的解决方案。我们证明了受污染的超滤膜和反渗透膜可以通过二氧化碳激光进行加工转化为激光诱导石墨烯表面，并将这类材料与由原始超滤膜和反渗透膜制成的激光诱导石墨烯表面进行了对比。随后，我们对这些多孔激光诱导石墨烯材料的物理化学性质进行了分析，并将其应用于多种实际场景中。通过对激光诱导石墨烯表面进行电化学分析，我们确定了在受污染膜上通过激光雕刻处理后所得材料的性能是否与原始膜制成的材料相当。我们利用原始超滤膜制成的激光诱导石墨烯样本和受污染超滤膜制成的同类样本开展了污染物去除实验，同时评估了它们在界面蒸发、微生物消毒以及传感应用中的效果。表1汇总了本研究中所制备的各类激光诱导石墨烯材料及其应用场景。利用废弃膜制成的高质量激光诱导石墨烯不仅能够降低制备成本，减少废弃物产生，还能推动该材料在更多领域的商业化应用。
