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深度聊一聊碳材料在水处理中的应用(下)

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-03  来源:Carbontech  作者:中国碳谷网  浏览次数:46
核心提示:导读:话说上回小编跟大家讲述了活性炭在水质处理及BDD电极在污水处理中的应用,今天小编接着跟大家讲一下明星材料石墨烯在水处理
 导读:话说上回小编跟大家讲述了活性炭在水质处理及BDD电极在污水处理中的应用,今天小编接着跟大家讲一下明星材料——石墨烯在水处理中的应用。想回顾上回精彩内容的朋友,欢迎点击文末喜欢作者,查找上篇内容。


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污水处理——石墨烯

石墨烯因具有优良的光、电、力学等性能,被称为“新材料之王”、“超级材料”等。氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物,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。

石墨烯类碳材料+光催化材料=水处理中的光反应催化剂

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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。

看一则重要报道

2018年2月份,曾有相关报道称,沣西新城采用石墨烯催化光膜技术治理纳污坑塘试点成效显著,一张膜破解黑臭水体治理“顽疾”。

西安市西咸新区沣西新城在全省率先将新型石墨烯光催化水处理膜新技术引入治理纳污坑塘黑臭水体,破解环境治理“顽疾”。其以辖区钓台街道办西张二村作为试点,经过3个多月的治理,近万平米的纳污坑塘也就是人们常说的涝池,从“臭不可闻”变成了让人耳目一新的“碧水清波”。

经多地考察学习和多次技术论证,2017年8月,沣西新城以钓台街道西张二村村北9500平米的纳污坑塘为试点,率先在全省范围内引入新型石墨烯光催化水处理膜新技术,治理黑臭水体。3个月时间内,先行打捞坑塘垃圾、蓝藻,清理杂草,再加固坑塘周边围堰,最后铺装石墨烯膜。

11月起,沣西新城采取3天一次水质化验,跟踪试验进程。6天后,经技术检测,试点范围内水质的COD、总氮、氨氮等主要指标全面下降,最低氨氮降幅27%,最高COD降幅达77%;溶解氧指标则从0上升到6mg/L。11月15日,当再次提取水样检测时,指标持续下降,水质逐渐好转,基本保持在一级B标准内,个别指标达到一级A污水排放标准。


钓台街道西张二村纳污坑塘铺设完成石墨烯光催化膜

据悉,这种新型石墨烯光催化水处理膜是一种石墨烯掺杂光催化纳米半导体片状膜材料,能在可见光照射下,转化成具有超强氧化还原活性的羟基自由基(.OH)和超氧自由基(.O2),使传统光催化效率提升数个几何量级,分解各类有机物、降解高价重金属。

新型石墨烯光催化膜结构层示意图

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海水淡化——石墨烯

石墨烯之父安德烈·海姆曾公开表示,把氧化石墨烯薄膜应用到海水淡化当中,是一个可以实现商业化的例子,而且由于使用了氧化石墨烯,成本将会越来越低。

安德烈·海姆


氧化石墨烯氧化物分层取得进展后,现在可得到100nm的厚度,形成石墨烯氧化膜。实验表明,不管是哪一种海水,经过氧化石墨烯薄膜时,水流速度都非常快,且可以非常精确地把盐份都过滤出来。氧化石墨烯薄膜应用在海水淡化中时,只要进行一定的加压,过滤出来的海水甚至可以直接饮用。“如在水流速度保持0.5升/平方米的情况下,薄膜对于氯化钠的过滤度高达97%,这是一个非常令人满意的实验结果。”

事实上,安德烈的团队去年4月份在国际学术杂志《Nature Nanotechnology》上发表了重要研究进展。研究团队找到了一种方法能够精确控制氧化石墨烯薄膜的孔径大小,这能够有效地阻挡不需要的离子。实验证实,用他们的方法能够使氧化石墨烯薄膜对氯化钠的离子的过滤率高达97%,这意味着该膜系统能够很好地进行过滤常见的盐离子。相较于目前海水淡化的工艺来说,氧化石墨烯薄膜的应用成本大大降低,为实现商业化做了铺垫。

2017年10月9日,国际学术期刊《Nature》在线刊登了题目为“通过阳离子控制氧化石墨烯薄膜层间距实现离子筛分”(“Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing”)的研究论文。该研究提出并实现了通过水合离子精确控制石墨烯膜的层间距,展示出优异的离子筛分和海水淡化性能。该研究来自中国科学院上海应用物理研究所研究院方海平、李景烨、上海大学的吴明红团队、南京工业大学金万勤团队等人。

海水淡化示意图

据了解,精确控制(氧化)石墨烯膜的层间距在环境、能源材料等领域具有重要意义,尤其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用领域中起到关键作用。对于(氧化)石墨烯纳米片,要实现其层间距固定并精确到十分之一纳米这么小的尺度,其困难可想而知,更具挑战的是,(氧化)石墨烯膜在水溶液中还会发生溶胀导致分离性能严重衰减。一直以来,研究者们利用纳米技术操控、膜间修饰小分子等技术做了诸多努力但仍难以如愿。

 
 
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