石墨烯材料在水处理领域的技术应用现状及趋势


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  水处理中,石墨烯类碳材料除了利用其过滤的作用外,还有一个重要的作用,就是吸附。作为水处理吸附剂,可吸附三类污染物: 有机物,金属离子与无机阴离子。

石墨烯巨大的比表面积使它成为优质吸附剂。常见的石墨烯类碳材料除包括石墨烯和上述的氧化石墨烯外,还有还原氧化石墨烯。后两者的制备,常用石墨经氧化还原反应制得。

氧化石墨烯拥有大量的羟基、羧基、环氧基等含氧基团,是一种亲水性物质,与许多溶剂有着较好的相容性,通过静电作用、氢键或π-π键与污染物结合,进而去除染料废水中有机污染物。例如,在去除亚甲基蓝(MB)过程中,主要是通过静电作用和π-π键起作用。其中静电作用是因为亚甲基蓝表面带正电,GO 表面带负电。

氧化石墨烯去除金属离子是由于氧化石墨烯表面的环氧基、羧基、羟基等含氧基团能与金属离子,尤其是多价的金属离子发生络合反应。

壳聚糖被认为是去除废水中重金属污染物最有前景的吸附剂之一,但其机械强度和物理稳定性欠佳,人们研究了增强壳聚糖的性能及吸附能力的方法。氧化石墨烯与壳聚糖等吸附剂结合,形成的复合结构,具有巨大的比表面积,可增强吸附性能,是新型石墨烯材料的研究方向。

例如:氧化石墨烯与壳聚糖、Fe3O4等磁性材料等结合形成复合材料,可增强材料的表面性能,进而提高吸附性能,备受关注。Fe3O4-壳聚糖-GO 复合物用于去除亚甲基蓝,该类复合材料环境友好、可降解、吸附迅速和易分离等特性是其优势所在。

刚才提到的还原氧化石墨烯( RGO),对于阴离子染料的去除率高达95%。这是因为,还原后的氧化石墨烯将GO表面的羰基还原成了羟基,提高了其表面电势,C—OH和C—H键增多,去除特定结构染料分子的作用力主要通过氢键作用,对于某些阴离子的吸附能力反而更强。

3.石墨烯类碳材料+光催化材料=水处理中的光反应催化剂

石墨烯的复合材料可作为光催化剂对污染物进行光降解。这是由于石墨烯的化学结构使之具有较高的电子传输性能,在光电转化和光催化应用中,将石墨烯类碳材料与光催化材料结合,在水处理中可以发挥两种材料的协同效应。石墨烯类碳材料在复合材料中作为吸附剂、电子受体,有效增强了常见光催化材料对有机染料和重金属污染物的光降解效果。

TiO2 稳定、无污染,是最佳的光催化材料之一。 但由于光激发 TiO2 产生的电子-空穴对极易复合,而石墨烯独特的电子传输特性可以降低光生载流子的复合,提高 TiO2 光催化效率。例如TiO2 /GO复合物,用以处理亚甲基蓝。在紫外光和可见光下,吸附能力和光催化能力均有所提高。其原因是方面的协同作用,包括复合物比表面积的增大,染料分子和芳香环之间的 π-π 键作用以及亚甲基蓝与石墨烯材料表面的含氧基团的作用。在光学特性方面,氧化石墨烯的加入使得Ti—O—C键形成,降低了TiO2的能带间隙,也增强了对有机染料的光降解效果。

小编帮您总结

石墨烯类碳材料及其复合物在水处理领域应用、主要通过改进后石墨烯类碳材料本身的过滤作用,以及与其他功能性化合物复合,来增强材料在吸附、静电作用、磁性、电子传递及还原等方面的能力,进而去除水中的污染物。总之,石墨烯碳材料及其复合材料在水处理中易于分离、环境友好的性能具有广泛的应用前景,但大量、广泛地应用到水处理工程中仍需时日。

拓展思维:

石墨烯有望成为除霾神器

目前,一些防雾霾口罩大多靠静电原理吸附PM2.5。但当口鼻中呼出雾气较大时,静电作用就会减弱甚至消失,从而了防御PM2.5的效果降低。

此时,石墨烯超高的比表面积和较好的化学稳定性就派上用场了。传统的过滤材料目前难以制备出超小的孔径。与本文中氧化石墨烯复合材料类似,氧化石墨烯与传统滤材结合,就可获得高效除霾的氧化石墨烯基过滤材料。该滤材对PM2.5的去除纯属物理阻隔,因此不受水汽影响,具有长期的稳定性。

为了避免有缺陷的石墨烯骨架很薄而存在大量孔洞,组装成多孔滤膜就可解决这一问题,内部孔道交错纵横,即使孔径大于2.5微米时,依然能有效地截留PM2.5,而且呼吸阻力小,保证呼吸顺畅。

有缺陷的石墨烯尽管不完美,而科研人员却挖掘出它内在的潜质,使其华丽转身,在环保除污、保障人类健康方面大显身手。

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