石墨烯材料在环境保护方面的应用

2021-11-18孙婷婷尹宗杰

节能与环保 2021年10期

文_孙婷婷尹宗杰

1 深圳市生态环境监测站 2 国家石墨烯产品质量监督检验中心

1 石墨烯材料简介

石墨烯是在石墨中获取的晶体材料，属于二维结构的材料，归类为新型碳纳米材料，如图1，碳原子是组成它整体结构的有效元素，可以直接与反应物相互作用，使得材质在面临不同的环境时很快进行反应，具有很强的灵敏性。由于其具有很强的吸附性，可以有效去除环境中的有害物质，从而减少有害物质对环境的污染，这使得石墨烯材料得到全球的广泛关注，特别是在环境保护方面的应用。为了分析石墨烯的功能与特征，国家在广东地区建设了国家石墨烯产品质量监督检验中心，促使研究人员对石墨烯进行深入的研究，加强石墨烯领域的质量控制并在此基础上进行更广泛的利用。相关研究人员为了进一步加强对污染物的处理，以石墨烯为主要材料而研发出的多种材料具有催化、吸附功能，可以应用于很多不同的领域当中。

图1 石墨烯材料结构

石墨烯具有良好的电子、化学结构与生物兼容，从而应用于传感领域当中。石墨烯的与非贵金属、贵金属，其他材料的复合使用可以增加传感器对氧化氢的检测范围，从而提升稳定性，可以为未来非酶电化学生物传感器的进步提供基础。

石墨烯是二维蜂窝形状的碳材料，有着过光点、表面积等效应，能够广泛应用于环境、能源方面，可以有效调整光点性质、结构，扩大检测范围。

氧化石墨烯是从石墨烯当中获取的碳材料，属于新型的研究成果，而且加工并不是很难，而且可通过化学、物理方法与多种不同物质结合，从而产生电、光等性能，并应用于环境保护、储能等方面。

相关研究表明，石墨烯材料的分子结构较独特，表面积大，以及具有吸附功能强的特点。由于可以轻易改性，有着很好的灵活性能，补充了硅胶、活性炭等吸附材料所不具备的功能，因此在市场中的应用前景非常的广阔。

石墨烯的制备方法也随着技术的发展在不断完善，目前在制备石墨烯材料的过程中，可以通过机械剥离和外延晶体生长等方法来制备。

2 石墨烯材料在环境保护中的具体应用

石墨烯材料作为比较好的吸附剂，它在环境领域中的应用，不仅提高污染物的处理质量，还为环境保护工作的顺利实施提供基础。由于重金属污染物具有很大的毒性，如果不对其进行有效处理就将其排放到环境中，就会对周围的环境和人们的身体健康造成严重的影响，植物会通过生物富集作用将其吸收，进入人体内。因此，为了减少这些污染物对人体的影响，对石墨烯材料的特点及在环境保护方面的具体应用进行了深入的研究。

2.1 提高去污能力

根据相关的研究发现，石墨烯材料的去污能力远远超过以前吸附材料的去污能力，不仅可以节约工作时间，提高工作效率，还可以大幅度减少其去污能耗成本。研究人员为展示石墨烯材料的优点，对石墨烯膜原型进行分析，发现石墨烯膜能够提高环保质量，为环境保护工作的顺利实施提供了保证。

相关研究人员发现，高效率的石墨烯材料分离与所要进行的同位素混合物的投入量成反比例，这足以表明了石墨烯材料能够降低资本成本和能源需求，不断提高去污质量，为促进我国经济在社会中的稳定发展提供基础。

石墨烯氧化物膜具有良好的过滤作用，可以有效过滤饮用水中的杂质与盐，对不同水质的污染处理中起着重要的作用。但是在这个过程中，石墨烯膜会降低材料的选择性，主要原理为氧化石墨烯层沉浸在水里时，两层或三层水分子将插进层间空间当中，扩大石墨烯膜的间隙，研究发现把它叠放在环氧树脂中间，可以对水中的污染物进行更好的处理。

2.2 加强吸附能力

现代工业的发展，加速了工业污水与气体的排放，对环境造成了不好的影响，而且大部分企业并没有意识到酸碱废水的危害，从而没有完善耐酸碱防水防腐的工作，导致了酸碱腐蚀，不仅对环境造成了很大的破坏，也损害到了工业企业的利益。

石墨烯材料具有很强吸附性能力，能快速对污染物进行处理，在环境保护的过程中，传统的吸附材料由于吸附能力较差，一些比较小的污染物并不能进行有效吸附，这就对检测的结果造成了一定的影响。而石墨烯材料能有效地将要检测的物质检测出来，大大地提高检测的准确性。

相关研究表明，GO海绵应用于甲基紫的吸附，可以提升吸附量，比普通GO吸附量少，这也就说明石墨烯材料比传统吸附材料的吸附能力要强的多。除此之外，石墨烯也可以吸附染料，石墨烯壳聚糖的结构吸附活性黑物质，处理罗丹明B的材料还也可以是石墨烯海绵。

环境领域的相关研究者表明，以石墨烯为主要材料制备的石英晶体微天平（QCM）传感器的稳定性强的主要原因为甲醛与石墨烯根据氢键断裂，从而产生吸附-脱附过程。

当前，环境污染问题已经引起世界范围的关注，尤其在水资源匮乏的情况下，污水处理是目前环境保护人员所重视的事情。国外研究者通过还原氧化石墨烯修饰金属卟啉电化学传感器中测测出很多不同水质中的硝基苯含量，在污染物处理过程中应用，石墨烯材料大大提高其处理的质量。根据相关的研究发现，石墨烯的表面积远大于以前的吸附材料，在环境保护领域中的应用有着一定的发展前景。

在我国经济不断发展的背景下，相关人士对有害气体吸附进行深入的研究，并且随着科技的不断发展，人类对于能源的需求也在增大，为了在保护环境的同时，还可以有效解决这个难题，相关的研究人员寻找更高效环保的吸附材料，加强对有害气体的吸附。石墨烯材料在环境保护中的应用，在提高其监测效果的同时，还大大改善前期材料的吸附能力不足的问题。

石墨烯材料对汽车尾气的吸附能力同样比较强，监测人员可以对其吸附结果进行分析和检测，然后采取措施对污染物进行及时处理。在对石墨烯材料的研究过程中，还要加强对其原子结构的研究，因为石墨烯材料的原子结构都是由碳原子组成的，所以它具有很强的稳定性和吸附能力，要是在环境保护过程中的应用，不仅可以提高其工作效率的同时，还能为监测工作的稳定进行提供保障。

目前，在废气治理中吸附塔中的主要材料还是活性炭，用石墨烯材料代替活性炭是我们未来的研究方向。