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氧化石墨烯:一种污水处理的新兴材料

发布日期:2019/9/12 11:27:16

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料,具有优异的力学、热学和电学性能,被冠以“黑金”、“新材料之王”的美誉。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世杰纪。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料,具有优异的力学、热学和电学性能,被冠以“黑金”、“新材料之王”的美誉。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世杰纪。

1.传统石墨烯局限性以及氧化石墨烯的优点

虽然石墨烯在洁水去污、净化环境等方面,蕴含着巨大的潜力。但石墨烯表面呈现稳定惰性,难溶解于溶剂中,更难与其他有机或无机材料均匀地复合。发展亲水性和生物相容性的复合材料,是新型石墨烯材料的研究方向。

氧化石墨烯(G O)是一种由天然石墨制备、与碳纳米管结构相似的碳纳米材料,是单原子层厚度的二维结构纳米材料,其比表面积理论上可达2 900m2/ g,是所有碳纳米材料中比表面积最大的材料。

相比在水中和极性溶剂中难分散的石墨烯,氧化石墨烯因为表面含有许多含氧基团, 具有良好的亲水性, 可通过功能基团的作用与其他聚合物稳固地结合形成复合物。因此, 氧化石墨烯能很稳定地分散在水溶液中,易于制备,便于大规模生产。

2.对重金属和有机物的吸附处理效果

氧化石墨烯表面的环氧基、羧基、羟基等含氧基团还能与金属离子,尤其是多价的金属离子发生络合反应, 同时氧化石墨烯也可以和有机污染物相互作用。因此氧化石墨烯可用于去除水中的金属和有机污染物。有关研究表明,氧化石墨烯对水体中铅的吸附量是活性炭的10倍,其对汞的去除能力比其他吸附剂高 5倍。通过特殊技术对氧化石墨烯表面进行功能化后,功能氧化石墨烯对金属离子的吸附特性还可得到进一步的优化和增强,对低浓度的重金属离子去除能力可达到ppb级。

除了对重金属外,氧化石墨烯同样对水体内有机物具备强大的去除能力。有研究学者探讨了氧化石墨烯对于亚甲基蓝 ( MB) 的吸附;结果表明氧化石墨烯对于 MB 具有较强的吸附能力,吸附容量达到714 mg / g,远高于碳纳米管 ( CNT) 和石墨烯,所需的平衡时间也比CNT更短。因此氧化石墨烯是一种优秀的水体处理材料。

3.可复合协同光催化材料处理污水

不仅如此,氧化石墨烯还可以与光催化材料复合,达到协同处理水体污染物的效果。TiO2等光催化材料产生的电子-空穴对极易复合,氧化石墨烯具有较高的电子传输性能,可以降低光生载流子的复合,提高 TiO2光催化效率。有不同学者采用多种方法制备了 TiO2 / GO 复合物,尝试处理亚甲基蓝、甲基橙、Cr( Ⅵ) 、重金属污染物。发现相比单独的 TiO2,其对污染物的吸附能力和光催化能力均有所提高。这些学者认为,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。另外氧化石墨烯二维薄片层有巨大的比表面积,加之较强的吸附能力和较高的电子传递效率,也提升光解效果。

由此可知,氧化石墨烯有望在许多领域取代现有的污水处理材料,成为 21世纪最优秀的环境材料之一,在工业废水的治理、地表(饮用)水净化、生活污水处理等方面得到广泛应用。