石墨烯和二硫化钼在治理水污染方面研究进程

张海洋

（广西大学 广西 南宁 530004）

1 引言

水是人类生存和社会发展的重要自然资源。随着社会的发展和工业的迅猛发展，水污染已成为严重威胁人类社会生态环境的全球性问题。自21世纪以来，纳米技术的兴起为水处理技术的发展创造了新的机遇。联合国《2018年联合国世界水发展报告》指出，全球对清洁水的需求以每年1%的速度增长，并将在20年内迅速增长，因此需要开发新技术和新资源。近年来，纳米材料和技术的飞速发展为水处理技术和资源的开发开辟了新的发展机遇。本文主要介绍石墨烯和二硫化钼纳米片在水处理技术中的最新应用研究。

2 二硫化钼在水处理中的应用

二硫化钼主要具有以下三个结构（图1）：八面体1T相，三角棱柱2H相，三角棱柱3R相，1T相和3R相是亚稳定的并且具有金属性质。如图1所示，2H相具有稳定的结构及显示半导体的特性。类似于石墨烯，二维层状二硫化钼具有特殊的外观是其剥落为多层或单层纳米片时。

图1 二硫化钼结构示意图

Ball P等[1]报道他们使用真空过滤形成二硫化钼膜，伊文思蓝的去除率为89%，水流量为245L/m2·h·bar，比GO层状膜高3～5倍。Wu R C[2]等使用压力辅助过滤来创建分层的二硫化钼薄膜在水中稳定的原因（即二硫化钼纳米片之间的范德华力）是它们自身的静电排斥力。GO膜倾向于在水中膨胀，并需要其他化学物质来提供恒定的力来保持稳定性。这也是二硫化钼膜比GO膜非常重要的特征。同时，Borah L[3]等进行了有关纳米过滤条件下二硫化钼薄膜中离子和染料保留的研究。结果表明，完全干燥后制得的二硫化钼层压膜是不渗透的，距离为0.62nm，接近水分子水平上的最小孔径。然而，当二硫化钼膜完全湿润时，各层之间的距离为1.2nm，并且某些离子和染料仍然保留。Li Z L[4]通过调节真空过滤压力和过滤速率来松散地形成二硫化钼膜。该膜显示出混乱且不规则的层结构。纳米颗粒边缘的狭窄通道只有约1.8nm，而堆积的纳米颗粒之间的通道只有约8.9nm，这种结构的二硫化钼膜显示出渗透性。较高的水（1430L/m2·h·bar）和有机溶剂的渗透性。对于数量（5000L/m²·h·bar）和尺寸大于1.9nm的染料，去除率超过90%。可以看出，在通过压力过滤生产多层二硫化钼薄膜中，外部压力会影响褶皱尺寸，叠层以及纳米二硫化钼层之间的间距，如图2所示。

3 石墨烯在水处理中的应用

二维纳米材料石墨烯具有由sp2混合碳原子构成的蜂窝结构的单声层。前人研究了聚醚砜（PES）和GO薄膜的输水机理，由于膜中的高毛细管压力，与压力控制的渗透率相比，GO膜可以通过增加渗透过程中的有效面积来改善在渗透率表面的扩散。用简单的浸涂和原位化学还原方法，发现IRGOPU海绵可快速有效地用于油和水的分离。高达99.6%的油水分离效率使其成为发生大量漏油的最佳油水分离材料。Geim A K[5]等首先获得GO纳米线和羟基铜。然后，通过真空过滤器组装工艺来生产CHNs-GO纳米复合膜。该膜具有优异的稳定性和吸水性，高分离效率和优异的防霉性能。油水乳状液的分离效率可达到99%以上，在油水分离中应用广泛。还原石墨烯氧化物（rGO），Chong J Y[6]用于生产比表面积高达652m2/g的多孔石墨烯（PG）。这消除了对额外催化剂和模具的需求。PG易于使用，便宜且易于大量生产，PG具有疏水性，与油有关，并具有出色的选择性。

图2 从离子和有机染料中分离二硫化钼膜的效率和机理

用分子模拟（分子动力学）研究Na+和Cl-的传输行为-表明使用多孔石墨烯膜可以有效过滤海水。带负电荷的阴离子石墨烯可防止Cl-通过，并有助于Na+的传输。离子选择的机制高度依赖于阳离子和阴离子浓度的差异。出色的实验数据表明，基于石墨烯薄膜的MD膜在悉尼港的海水处理中显著优于传统的商用MD膜。使用乙二胺（EDA）作为添加试剂，乙二胺（EDA）是经过地热处理和冷冻干燥后生产的弹性石墨烯（GA）气凝胶，GA已显示具有出色的油和水选择性，超高吸收（高达2.5×104mg/g）和出色的可回收性。另外，动力学和热力学研究表明乳液中油对GA的重吸收过程是物理上自发的过程。研究表明，许多RGO/PC材料可以快速有效地吸收各种油和有机溶剂，例如油泵油，大豆苯，环己烷，四氯化碳（CCl4）和乙酸乙酯。如图3所示，批量生产的RGO/PC可以在内部快速，完全吸收环己烷和CCl4，结果非常清晰。这使我们看到大部分RGO/PC固体在水污染和油水分离方面具有广阔的前景。

图3 水中红色油染成的环己烷（a1-a3）和CCl4（b1-b3）的分离结果

4 总结

近年来，石墨烯和二硫化钼等新型2D纳米材料由于其独特的物理和化学性质引起了许多领域科学家的关注。研究发现，这些二维纳米材料和复合材料能够从水中完全去除有机污染物、离子、重金属，染料和其他污染物将其削弱。目前用于石墨烯和二硫化钼纳米颗粒的二维纳米材料制造技术存在产量低、质量低等问题，严重阻碍了进一步的应用研究。二维纳米材料的大规模、高质量和高效率工艺的发展降低了使用水处理技术的成本，但这也会加快水处理技术的成本。正确混合合适的2D复合材料和有效的水处理是进一步研究的热点。