浅谈石墨烯膜在水处理中的运用

2018-02-02钟晓丽

资源节约与环保 2018年11期

钟晓丽

（浙江海拓环境技术有限公司浙江杭州 310052）

引言

在国家经济飞速发展的同时，水污染日渐突出，从而严重威胁到了国家的稳定发展和人民的身心健康。为此，国家高度关注对水污染问题的管理与控制。目前，水污染的处理常用物理法、化学法和生物法等方法，其中膜分离技术是一种高效分离技术，其适用范围广、操作方便、条件温和、装置简单且分离系数大，因此可在水污染处理中发挥重要的作用。为此，本文介绍一种石墨烯膜处理工艺，其在水处理中的应用价值很高，备受行业的重视。

1 石墨烯膜

石墨烯是一种由碳原子以杂化轨道组成的原子尺寸蜂巢晶格结构，其平面结构独特，且虽与活性炭皆为碳材料，但其吸附能力、比表面积都比活性炭高。石墨烯膜既有石墨烯的性质特点，又存在独有的性能，如气体无法从石墨烯膜中穿过、单层石墨烯膜（一个原子厚度）承受的压力可到6个大气压。得益于石墨烯膜的以上优异性能，推动了二维石墨烯膜在水处理中的广泛应用。目前，石墨烯膜的常用制备方法包括旋涂法、真空抽滤法和化学气相沉积法等。其中，旋涂法是一种最为常用、效果最理想的石墨烯膜制备方法，其原理为：先按要求预处理基底表面，再在转动中的且转速一定的旋涂仪上附着上基底，并以一定速率在基底正中间滴上氧化石墨溶液，期间要求严控氧化石墨溶液的用量和浓度，以有效控制石墨烯的厚度；真空抽滤法的原理为：先抽取浓度一定的氧化石墨溶液，并倒入抽滤杯中，再快速抽滤去除溶剂，然后在滤膜上沉积得到石墨烯膜，最后用丙酮溶解滤膜衬底，从而实现石墨烯膜向玻璃等其他基底上转移；化学气相沉积法常用来规模化地制备石墨烯膜，其原理为：在温度与压力一定的条件下，气态原料经化学反应生成固态物质，并在加热后的固态基底表面沉积，从而提高了石墨烯膜的质量。

2 石墨烯膜在水处理中的应用

2.1 过滤

石墨烯膜的孔径达到纳米尺寸。研究预测，将石墨烯膜用作渗透性与选择性高的过滤膜，其效率远超任一高分子膜。石墨烯膜的分离通道由三部分构成，即：石墨烯膜上的孔道，其与半圆柱类似且由不规则褶皱结构形成；石墨烯膜的层间孔隙；石墨烯膜上的缺陷或制备的孔道。目前，针对石墨烯膜的研究课题很多，如Mi课题组制备的硅胶联石墨烯膜可有效去除水中的有机物，且对葡萄糖的去除效率达84%及对蔗糖达90%。

2.2 吸附

石墨烯表面含氧基团的含量较高、比表面积较大，且理论研究发现，二维石墨烯的吸附能力很强，即其吸附作用包括功能基团、阴阳离子-π和π-π的相互作用。目前，许多研究人员致力于石墨烯吸附作用的研究，且研究发现石墨烯纳米片在去除水中的重金属离子上效果理想。例如，Zhao等人利用氧化石墨烯纳米片（少数层）来对溶液中Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）进行去除试验。试验结果表明，吸附效果最易受到溶液pH值的影响、不易受到离子强度的影响；含氧官能团在吸附重金属离子上的作用明显，且当pH=6、温度=303K时，石墨烯纳米片对Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）的吸附量高达68.2mg/g和106.3mg/g。

2.3 光催化

关于光催化去除污染物，通过光催化反应得到的自由基可完全分解污染物，且具有安全、节能、绿色等特点。但在光催化反应中，表面反应、表面电荷空穴分离和光电吸收却受制于半导体的影响，所以光催化去除污染物的效率较低。研究发现，石墨烯的电子迁移率较高，且比表面积较大，所以当其与半导体复合后，可使光催化的效率大幅提高，即：石墨烯平面π-π键可使有机物吸附量得以增加，并进一步提高污染物与自由基接触的效率；石墨烯可使半导体吸附光的范围发生改变，且石墨烯在与半导体复合后，其吸附范围因红移而使带宽下降，继而使得光吸收效率得以提高；石墨烯与半导体复合，既可使体系具备更高的电子转移速率，又可促进电子-空穴对发生分离及使其复合速率下降，同时价带上激发电子的充分利用可使光催化效率大大提高。

2.4 电容去离子

在电容去离子技术中，石墨烯的应用备受行业关注。其中，电容去离子技术的原理为：由一对多孔电极去除水中的带电物质，且当1-2V外压施加给电极后，将会在电极表面形成双电层结构，由此对相反的电荷离子进行吸附去除。电容去离子技术因需在电极表面上吸附待去除的离子，则要求电极选材的比表面积较大、多孔结构相互连通、化学稳定性良好和电子迁移速度快等，如选用碳纳米管、碳凝胶和活性炭等材料。其中，活性炭因具有微孔结构而使离子的进入、扩散活动受限，所以其吸附效果略差。