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石墨烯材料在水处理方面的应用研究
2018月06月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:62
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世界人口的增加及工业化进程的加快,对环境造成了严重的污染,其中水污 染问题尤为突出,为此相关研究者发明了多种方法并开发出了各种新材料来应对这一问题。碳材料,如活性炭,具有高的比表面积,被广泛用作废水的纯化材料,近年来,各种高性能的新型碳材料如碳纳米管、石墨烯材料相继被开发出来,其作为水处理材料的研究正逐步得到相关领域研究者的重视。


作为水处理材料,石墨烯材料的应用前景值得期待,一方面在于它具有二维 的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、高的机械强度、化学性质稳定及比表面积大等突出优点,另一方面,与石墨烯结构类似的碳纳米管材料表现出了良好的吸附性能,而且石墨烯与碳纳米管相比,比表面积更大,且更易进行结构的调控和设计,因此,近年来石墨烯作为水处理材料的研究正成为相关领域的研究热点。

图一 石墨烯材料的物化结构示意图


一、石墨烯及其衍生物在水处理方面的研究


1、对重金属离子的吸附

石墨烯材料对重金属离子吸附的研究,绝大多数集中于氧化石墨烯,因为氧化石墨烯含有丰富的含氧基团,这些含氧基团能够高效地与金属离子作用,因而其对重金属离子的吸附性能要优于石墨烯。影响氧化石墨烯对重金属离子吸附的因素很多,主要有离子强度、ph值、氧化石墨烯中含氧基团种类和数量,溶液中的有机介质等。


2、对有机物的吸附

石墨烯材料作为一种吸附剂也可用作吸附有机污染物,如染料、抗生素、杀虫剂、原油等。石墨烯材料的种类以及吸附质中是否含有-NH2-OH-COOH等功能团对吸附的机理和过程具有很大的影响。石墨烯材料对有机物的吸附作用主要包括:静电作用、疏水作用、π-π键、氢键。

表一 石墨烯及其衍生物对有机物的吸附


二、石墨烯复合材料在水处理方面的研究


1、石墨烯/金属氧化物复合材料吸附剂

1.1石墨烯/Fe3O4复合材料

Fe3O4具有较大的比表面积、良好的生物相容性及磁学性能,常用作水处理材料。但是Fe3O4粒径小,容易团聚,此外在连续流系统中,它会氧化成αγ-Fe3O4。石墨烯和Fe3O4复合能有效克服上述缺点,而且复合后能增强Fe3O4的使用寿命,在吸附后期处理过程中能够快速分离,因而磁性石墨烯复合材料用作水处理的 研究日益得到重视。鉴于石墨烯/Fe3O4复合材料的诸多优异性能,对其研究已成为相关研究领域的热点,从最初的吸附砷离子,到处理各种金属离子如CrVI)、CoII)、PbII)、CuII)、UVI)等,同时对各种有机物如罗丹明B、碱性副品红、甲基蓝、中性红等也表现出来了优异的吸附性能。


1.2石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

Fe3O4外,石墨烯还可以和SiO2ZnOMnO2CoFe2O4ZrO2形成复合材料用于水处理材料,这些复合材料不仅具有良好的吸附性,而且有的还对某种金属离子具有高度选择性。


2、石墨烯光催化复合材料在水处理方面的研究

石墨烯具有优良的电子传输性能,在光催化过程中,将石墨烯和光催化材料复合,可以有效发挥两者的优势,通过协同效应,进一步增强复合材料的光催化性能。


2.1石墨烯/TiO2复合材料

TiO2是一种优异的光催化材料,但TiO2光激发产生的电子-空穴对极易复合,而石墨烯具有的独特的电子传输特性可以降低光载流子的复合,提高TiO2光催化效率。目前石墨烯/TiO2复合材料主要用于光降解有机污染物,复合材料相比较TiO2纳米粒子,其光催化性能有大幅度提高,目前石墨烯/TiO2复合材料用作光降解的有机物有亚甲基蓝、罗丹明B、甲基橙、苯酚、丙酮、孔雀绿等。

图二TiO2/氧化石墨烯与染料分子的作用机理


2.2石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

TiO2外,石墨烯还可以和其它的金属氧化物和化合物形成复合材料用作 光催化材料,目前已经有CdSZnOWO3CuOMn3O4Mn2O3SnO2Bi2WO6ZnWO4Bi2MoO6BiVO4BaCrO4CoFeO4等金属氧化物及化合物。这些石墨烯复合材料有时显示出了比石墨烯/TiO2还要高的光催化性能,一般来说,金属氧化物的形貌,在石墨烯面上分布及氧化物的缺陷对其光催化性能有重要的影响。目前该类石墨烯复合材料主要用作降解有机染料。


石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道形成的只有一个碳原子厚度的二维碳质新材料,由于其特有的化学结构,具有优异的物理和化学性质。巨大的比表面积使石墨烯可作为性能优异的吸附剂吸附水中的污染物质;具有很好的热稳定性,加入到其他材料中可提升其他材料的热稳定性能;高电子迁移率和热导率使其具有很好的导电性能,可交换水中的金属离子也可作为光催化剂降解水中的污染物。氧化石墨烯为石墨烯的氧化物,表面具有较多的含氧官能团,使其具有静电作用或可以和其他离子进行交换,进而去除水中离子污染物。总之,石墨烯及其氧化物的复合材料在水处理中具有广泛的应用前景。

             

                                       作者:谷雨

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