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石墨烯及其复合材料在水处理中的应用产业规模突破千亿

责任编辑: admin 发布时间2017-11-29    点击数:22243 次
  在2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈˙杰姆和克斯特亚˙诺沃消洛夫,他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,将石墨薄片的双面粘在一种特其他胶带上,扯开胶带,将石墨片一分为二,不断地这样操作,薄片越来越薄,终究他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

石墨烯是现在最健壮的材料之一,具有很好的导热性及极高的电子迁移率,它可以作为电极材料、传感器、储氢材料。

亚洲国家也非常重视石墨烯技术的展开,日本科学技术复兴组织、日本新能源工业技术概括开发组织等都已为石墨烯立项;韩国于2013年发布了2014—2018年工业技术开发战略,推动石墨烯材料与零组件的商用化;新加坡国家科研基金会曾针对石墨烯在内的二维晶体研讨和商品化项目投入1000万美金。

现在,我国已有多个高校参与的1000多支研讨团队,在进行石墨烯从制备、功用研讨到工程化、工业化各环节的研发作业。我国石墨烯工业技术创新战略联盟聘请了欧美等地多位石墨烯领域的前沿研讨者,其间包含因发现石墨烯材料而获诺贝尔奖的两位科学家,助力我国的石墨烯研发。

石墨烯及其复合材料的特性和制备方法

跟着科学技术的不断展开,石墨烯在制备方面现已获得了巨大前进,其制备进程一般是:石墨-氧化石墨-氧化石墨烯-石墨烯。由于石墨烯的结构非常安稳、导热系数也极高、一同仍是现在自然界中强度最大的物质,因此它具有较出色的导电性、导热性和机械特性。

现在,石墨烯的制备方法常见的有化学气相堆积法、晶体外延生长法、胶体悬浮液法以及微机械剥离法等。运用于水处理中的石墨烯一般选用化学方法来进行制备,又由于要考虑制备本钱及规划,一般运用的是氧化恢复法。氧化石墨烯正常情况下是由石墨通过化学氧化和超声制备而得,由于石墨的来历广泛,较为低价,氧化石墨烯利于大规划化的出产,并且氧化石墨烯具有羟基、羧基和环氧基等含氧基团,具有亲水性,可以相溶于多种容积,很适宜运用于水处理工程中。

现在常见的石墨氧化法的基本原理是用强酸对石墨进行处理,使之构成石墨层间化合物,再把强氧化剂参与其间对其进行氧化,最为常见的就是Hummers法,它能有用减少制备的时刻,前进安全性。

在水处理工程的运用中,石墨烯自身的憎水性及易调集性约束了它的运用规划,因此研讨具有较强的亲水性和生物相容性的复合材料,是现在石墨烯材料的具体研讨方向。在制备石磨洗复合材料时,首要要知道石墨烯的表面是安稳慵懒的,很难与溶剂相溶,也不能和其他无机(有机)材料进行复合,因此首要要把氧化石墨烯和纳米材料进行复合,再对复合后的材料进行恢复,即可获得石墨烯复合材料。

石墨烯及其复合材料在水处理中的运用

石墨烯及其复合材料首要作为水处理工程中的吸附剂。石墨烯不止具有出色的储氢才干,还能用于气体分子传感器,它首要吸附无极阴离子和有机物这两种污染物。大分子的有机污染物可以和石墨烯表面的基团互相作用,生成安稳的复合物,石墨烯关于这种污染物的吸附才干较强,因此较多学着对石墨烯吸附去除有机染料进行了研讨。

相较于其他纳米材料,石墨烯的吸附才干更强,甲级蓝由于具有大分子和苯环,石墨烯的吸附速度更快,吸附容量更大。其他,当进行过五次吸附-脱附循环后,石墨烯对甲基蓝的吸附作用依然坚持不变。其间要注意,由于有机染料和石墨烯间电子传递的速度和作用机理不同,表面带正电荷的有机物和石墨烯之间的电子传递速度更快。

石墨烯的功用化不仅可以对石墨烯的边沿或缺陷进行化学修饰,连入新的官能团或分子链,还可以在分子间的互相作用力或离子键作用的基础上,引入修饰分子或离子,加强石墨烯在溶剂中安稳松散的才干。功用化石墨烯对无机污染物的研讨扩展了它在水处理工程中的运用规划。

氧化石墨烯和壳聚糖构成的复合材料对金属污染物的吸附才干更强,通过试验标明,氧化石墨烯/壳聚糖关于金元素和钯元素这两种金属离子的吸附是在自发和放热的进程中进行的,并且适用的pH值规划较大,脱附的进程也比较高效。

氧化石墨烯和磁性材料生成的复合材料可以加强材料的表面功用,具有更强的吸附性,这种复合材料的吸附才干首要由pH值和离子强度抉择。并且这种复合材料性质较为安稳,简单再生,在重复运用多次之后,吸附才干也能恢复到原始丰满吸附容量的90%左右。氧化石墨烯和磁性材料生成的复合材料最显着的优势是对环境污染性极小,可降解,吸附速度较快且易别离。

恢复氧化石墨烯在水处理工程中的运用也较为广泛。恢复氧化石墨烯一般可以用化学法、热剥离法、紫外光辐射法及微波法等方法把氧化石墨烯表面的某些基团恢复就可以获得。由于膨化的氧化石墨烯表面含有羟基、羧基和环氧基等含氧基团且带有负电荷,关于吸附阳离子性的染料具有很好的作用,但是关于吸附阴离子性的染料的作用不太好。

研讨人员通过之言发现静电作用在吸附去除有机染料的进程中起着极为重要的作用,其间要特别注意的是,选用不同的恢复方法制备的恢复氧化石墨烯会有不一样的表面电势,这将会影响它们在水处理工程中的运用。

此外,由于石墨烯具有较为优异的电子传输性,在光电转化和光催化工程中把石墨烯类碳材料与光催化材料进行结合之后,运用于水处理工程中,这样就能有用发挥两种材料的协同效应。与在水中和极性溶剂中较难松散的石墨烯比较,氧化石墨烯由于其表面含有较多的含氧基团,有很好的亲水性,能通过功用基团与其他聚合物安定结合构成复合物,可以安稳的松散在水溶液中,制备进程简略,利于大规划出产。

氧化石墨烯不止可以和乙烯醇聚合物及聚氧化乙烯等水溶性聚合物复合,还能同姑婆水溶性乳胶法获得新复合材料。氧化石墨烯表面的环氧基、羟基、羧基等含氧基团可与金属离子,特别是多价金属离子进行络合反应,并且氧化石墨烯还可以与有机污染物互相作用,所以氧化石墨烯还可以除掉水中的金属和有机污染物。其他与碳纳米管比较较,氧化石墨烯的制备本钱更低,制备进程也更简略。具体的二氧化硅/石墨烯复合材料组成路线图如图2所示,为此类研讨作参看。

二氧化钛与氧化石墨烯生成的复合材料除了可以加大吸附才干、加强电子传输才干之外还能前进二氧化钛的光催化性,经研讨标明,二氧化钛和氧化石墨烯的复合方法许多,复合构成的新复合材料的去污才干更强。

结束语

就现在的这些研讨而言,石墨烯及其复合材料在水处理中的运用的要害打破在于材料和环境管理的穿插研讨。研讨新式的石墨烯复合材料首要是按照材料自身的去污的特性,和石墨烯类碳材料复合,加强材料在吸附、电子传递及恢复等方面的才干。

其他,石墨烯及其复合材料的安稳性不高,制备许多而安稳的石墨烯复合材料也是石墨烯运用于水处理的首要问题。为了使石墨烯及其复合材料广泛地运用于水处理工程中,仍然需求科研人员的不断探求与实践。


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