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武漢瑞斯生態環境科技有限公司

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石墨烯自帶“黑科技”,工業廢水也能處理,大規模應用還缺啥?
閱讀量:80 發表時間:2022-12-06

工業化進程的加速,導致工業廢水排放量噌噌上漲,本就讓末端的水處理行業壓力與日俱增。

往往這些工業廢水中還帶有復雜的芳環結構或重金屬離子,傳統水處理工藝難以對其做到完全的分解、去除。

污水處理企業:屋漏偏逢連夜雨吶~

于是,行業內默默開啟一陣內卷,紛紛尋找起去除率更高、處理污水能力更強的新工藝、新材料。

石墨烯,就是得到大家一致認可的新材料之一,也被笑稱為“21世紀最有能力輕松攻克工業廢水處理”的熱門材料。

印度科學博士Ramavatar Meena曾說過,將石墨烯類復合物和反滲透結合,可以實現對染料、紡織類高濃度工業廢水的高效處理。

那么,石墨烯究竟是如何實現對高濃度工業廢水的高效處理的呢?

什么是石墨烯?

石墨烯,大家可能有種“熟悉的陌生感”,那少一個字,石墨,相信大家肯定就都認識了。

沒錯,就是鉛筆芯,它就是由一層層石墨烯堆疊起來的。

有個量化的說法,用鉛筆輕劃過紙面,留下的痕跡可能就是好幾層的石墨烯。

薄,是真的薄。它是目前世界上厚度最薄的納米材料,一層厚度僅有0.335納米。

硬,也是目前世界之最,比鋼(鐵般的意志)的強度還高上百倍。

石墨烯:好歹和鉆石師出同門。

除此之外,它的導電性、導熱性、拉伸性、散熱性也擔當得起“最”一字。

正是擁有如此多“最”性能,如此有排面的石墨烯,卻長了一張普通的“足球網”臉面。

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碳原子以sp2雜化軌道緊密排列,組成呈蜂巢狀的六邊形晶格,無數個六邊形晶格無縫連接,就構成只有一個碳原子厚度的二維純碳材料,也就是單層石墨烯。

看到這里,有的水處理人嚷嚷起來:就這“足球網”,用來處理復雜的工業廢水?

石墨烯是怎么進行工業廢水處理的?

首先,石墨烯擁有超大的比表面積(理想石墨烯具有高達2600 m2/g的比表面積),這就很好奠定了它良好吸附性能的基礎。

為什么這里之淮說的是奠定,而不是具有良好吸附性能?大家繼續看下去。

因為,單一石墨烯畢竟勢單力薄,能做的不多。

水友A:它表面呈惰性,難溶于水和溶劑,傲氣得很。

水友B:它表面沒有沒有活性基團,吸附單純靠自身的范德華力和疏水相互作用,作用太弱,吸附平衡過久;

水友C:它還極易發生團聚,使得原本就弱的吸附能力,更下一層樓;

石墨烯:我完美解釋了什么叫“家大業不大”、“中看不中用”。

為了解決石墨烯的“硬傷”,讓它早日“挺直腰桿做人”,研究人員也是在廢寢忘食、夜以繼日的探索和研究。

終于,石墨烯的衍生物和復合材料成功面世。

它們不僅強化了石墨烯的吸附能力,還順帶挖掘了它協同光催化材料增強廢水處理效果的作用。

石墨烯:就是這么不鳴則已一鳴驚人!基礎在那里了,別羨慕,你們學不來~

氧化石墨烯 -- 超強吸附作用

氧化石墨烯就是其中較為成熟的一種石墨烯衍生物。

作為石墨烯的“進化體”,氧化石墨烯既完美繼承了石墨烯該有的一切特性,又讓其表面帶上了強化吸附的利器:含氧官能團。

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這些含氧官能團主要是一些“親水基”,如-COOH、-OH等。它們使氧化石墨烯帶上了良好的親水性,既易溶于水,又能與親水性物質穩固地結合形成復合物,從而對工業廢水中的重金屬離子和有機污染物有較好的吸附作用。

①對重金屬離子的吸附

氧化石墨烯對重金屬離子的吸附,主要通過靜電作用和絡合反應。

重金屬在水中大多以陽離子形式存在,而含氧官能團一般帶負電荷,通過靜電作用,這部分陽離子重金屬能夠得到較好的吸附去除。

其中,一些多價金屬離子更容易和含氧官能團發生絡合反應,通過離子交換,達到去除目的。

有關研究表明,氧化石墨烯對水體中鉛的吸附量是活性炭的10倍,其對汞的去除能力比其他吸附劑高 5倍。

②對有機污染物的吸附

氧化石墨烯對廢水中的陽離子染料、芳香族化合物及高分子有機物等有機污染物具有較強的吸附作用,主要通過靜電作用和π-π交互作用。

含氧基團使氧化石墨烯表面帶負電,通過靜電作用,能夠強有力的吸附廢水中的陽離子污染物。

而廢水中的芳香族化合物則會和π-π鍵相互作用,發生有效吸附。

石墨烯類復合材料 -- 協同光催化材料提高水處理效率

眾所周知,光催化反應作為一種環境友好型水處理技術,深受大眾喜愛。

其作用原理簡單來說就是,利用光來激發半導體催化劑,引起氧化還原反應,從而氧化分解廢水中的污染物。

這一過程說起來還挺復雜,歸納一下就是涉及:電荷分離。只要保證了電荷分離的快和穩,這光催化反應效率就直線上升了。

而石墨烯類復合材料因其雜化方式的特別,恰好就具備了較高的電子傳輸性能,可以實現快速的電子轉移,降低光生載流子的復合。

眾人:天下武功,唯快不破啊~

其與光催化材料結合,就能大大提高催化效率,達到協同處理廢水污染物的目的。

被大家稱為“21世紀最佳光催化材料”的二氧化鈦,本身已經具備很好的光催化能力。但經過實驗對比,二氧化鈦/氧化石墨烯復合物又進一步提高了光催化能力,增強了對有機染料的光降解效果。

眾人:雙......雙......雙21世紀之光?!

另外,石墨烯類復合材料具備的巨大比表面積和薄到透明度極高的優勢,還能夠拓寬材料的光譜影響范圍,提高利用光能的能力,更深一步在光催化過程中提高材料的吸附性能,實現廢水潔凈。

目前石墨烯光催化應用這一點,已在城市黑臭水體治理中得到了較好的實踐效果。

最新的研究

1、石墨烯上的“納米海綿”可成為工業廢水的高效過濾器

8月5日消息,維也納大學的工程師們開發了一種新的復合材料,可以有效地過濾掉水中的有機污染物。該系統使用嵌入石墨烯片上的超多孔“納米海綿”。

新過濾器的關鍵是一類叫做共價有機框架(COFs)的材料。這些結構是非常多孔的,使它們在很小的空間內擁有巨大的表面積,這意味著它們能有效地抓住大量的分子。被稱為金屬有機框架(MOFs)的相關材料正被研究用于碳捕獲、海水淡化或從稀薄的空氣中提取飲用水,而COFs可能具有一系列類似的功能。

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在這項新的研究中,研究人員專注于使用COFs來去除水中的有機染料。這些化學品是工業廢水的常見污染物,可能具有毒性和致癌性--更不用說難以去除。

該團隊調整了COFs,使其有選擇地抓住有機染料分子。這涉及到使孔的形狀和大小合適--在0.8和1.6納米之間--并使其表面帶負電,以吸引帶正電的染料分子。

但是還有一個障礙需要克服。當這種材料以粉狀形式使用時,外緣的孔隙首先被分子填滿,而中間的孔隙則是空的,基本上沒有用處。因此,該團隊開發了一種方法,通過在石墨烯薄片上種植COFs來分散它。

最終的結果是在石墨烯的單原子層上形成了兩納米厚的COFs層,這增加了該材料容納有機染料分子的最大容量。石墨烯本身具有相當大的孔隙,允許水快速流過,同時COFs發揮其作用。

研究人員表示:“因此,石墨烯網絡的大孔與超薄的COFs層及其大量的吸附點相結合,能夠實現特別快速和高效的廢水處理?!?/span>

研究小組表示,這項技術應該也是相當便宜的。不需要使用太多的石墨烯,而且COFs可以被清理出來并重新使用。

該研究發表在《Angewandte Chemie》雜志上。

2、一種珊瑚狀石墨烯氣凝膠用于廢水處理

9月19日消息,珊瑚是一種古老的海洋生物,嘴邊長著許多小觸手,“肚”(內腔)被分成幾個小房間(消化腔),海水流過這些小房間,將食物帶入消化腔吸收. 珊瑚對水中食物的吸收和消化啟發了我們的材料設計方法。四川農業大學Yanzong Zhang《Chemical Engineering Science》期刊發表名為“Synthesis of a superhydrophilic coral-like reduced graphene oxide aerogel and its application to pollutant capture in wastewater treatment”的論文,研究設計了一種 3D 仿生 ZIF-8@rGO氣凝膠,在重復循環中具有高吸附性和穩定性。

ZIF-8 納米顆粒具有孔結構和較大的比表面積,可作為許多觸手并在 rGO 氣凝膠上生長。在這里,rGO 氣凝膠不僅可以作為基質,還可以作為可以容納大量污染物的珊瑚狀腹部。將 ZIF-8@rGO氣凝膠浸入被 TC 污染的水中后,錨定的 ZIF-8 納米顆粒會迅速尋找 TC 分子。此外,這種錨定結構延長了TC分子在“珊瑚腹”內的停留時間,同時增加了TC分子擴散的表面積。更令人印象深刻的是,我們的方法可以廣泛用于過濾和保留染料,這對于其他潛在應用很有前景。

看到這里,有人要問了:說了那么多優點,為什么現在石墨烯在工業廢水處理市場還沒有鋪張開來?

眾人:好像生活污水處理市場也沒完全鋪開來啊。

石墨烯市場化應用難點

這個問題不難回答。

新材料行業通常有“三高三長”的特點:難度高、投入高、門檻高,研發周期長、驗證周期長、應用周期長。

任何一種新材料從研發、面世、試驗,到投產、推廣、應用,都是一個漫長且無知的磨合過程。

石墨烯盡管有這么多優點值得應用,卻抵不過它目前的困境:無法高效率、規?;苽?。這也使得下游材料企業市場對它不太認可。

需要大量實際應用案例來驗證石墨烯的功能,又缺少資金投入來制備大量石墨烯,這說到底還是錢的事情。

如何穩定、高校、量產石墨烯及其衍生物和復合材料,用以滿足不同應用領域的需求,將會是未來很長一段時間科研人員的重點研究課題。

對于水處理行業來說,一旦進行投產,我相信石墨烯的實際應用能力會比現在的多數實驗數據更加出彩。

畢竟,是騾子是馬,要拉出來溜溜才知道~

最后,之淮大膽猜想一下,距離實現“復雜工業廢水處理起來沒什么難度”,應該不會太遠了。

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