淺談石墨烯膜在水處理中的運(yùn)用

鐘曉麗

（浙江海拓環(huán)境技術(shù)有限公司 浙江杭州 310052）

引言

在國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時，水污染日漸突出，從而嚴(yán)重威脅到了國家的穩(wěn)定發(fā)展和人民的身心健康。為此，國家高度關(guān)注對水污染問題的管理與控制。目前，水污染的處理常用物理法、化學(xué)法和生物法等方法，其中膜分離技術(shù)是一種高效分離技術(shù)，其適用范圍廣、操作方便、條件溫和、裝置簡單且分離系數(shù)大，因此可在水污染處理中發(fā)揮重要的作用。為此，本文介紹一種石墨烯膜處理工藝，其在水處理中的應(yīng)用價值很高，備受行業(yè)的重視。

1 石墨烯膜

石墨烯是一種由碳原子以雜化軌道組成的原子尺寸蜂巢晶格結(jié)構(gòu)，其平面結(jié)構(gòu)獨(dú)特，且雖與活性炭皆為碳材料，但其吸附能力、比表面積都比活性炭高。石墨烯膜既有石墨烯的性質(zhì)特點(diǎn)，又存在獨(dú)有的性能，如氣體無法從石墨烯膜中穿過、單層石墨烯膜（一個原子厚度）承受的壓力可到6個大氣壓。得益于石墨烯膜的以上優(yōu)異性能，推動了二維石墨烯膜在水處理中的廣泛應(yīng)用。目前，石墨烯膜的常用制備方法包括旋涂法、真空抽濾法和化學(xué)氣相沉積法等。其中，旋涂法是一種最為常用、效果最理想的石墨烯膜制備方法，其原理為：先按要求預(yù)處理基底表面，再在轉(zhuǎn)動中的且轉(zhuǎn)速一定的旋涂儀上附著上基底，并以一定速率在基底正中間滴上氧化石墨溶液，期間要求嚴(yán)控氧化石墨溶液的用量和濃度，以有效控制石墨烯的厚度；真空抽濾法的原理為：先抽取濃度一定的氧化石墨溶液，并倒入抽濾杯中，再快速抽濾去除溶劑，然后在濾膜上沉積得到石墨烯膜，最后用丙酮溶解濾膜襯底，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯膜向玻璃等其他基底上轉(zhuǎn)移；化學(xué)氣相沉積法常用來規(guī)?；刂苽涫┠ぃ湓頌椋涸跍囟扰c壓力一定的條件下，氣態(tài)原料經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，并在加熱后的固態(tài)基底表面沉積，從而提高了石墨烯膜的質(zhì)量。

2 石墨烯膜在水處理中的應(yīng)用

2.1 過濾

石墨烯膜的孔徑達(dá)到納米尺寸。研究預(yù)測，將石墨烯膜用作滲透性與選擇性高的過濾膜，其效率遠(yuǎn)超任一高分子膜。石墨烯膜的分離通道由三部分構(gòu)成，即：石墨烯膜上的孔道，其與半圓柱類似且由不規(guī)則褶皺結(jié)構(gòu)形成；石墨烯膜的層間孔隙；石墨烯膜上的缺陷或制備的孔道。目前，針對石墨烯膜的研究課題很多，如Mi課題組制備的硅膠聯(lián)石墨烯膜可有效去除水中的有機(jī)物，且對葡萄糖的去除效率達(dá)84%及對蔗糖達(dá)90%。

2.2 吸附

石墨烯表面含氧基團(tuán)的含量較高、比表面積較大，且理論研究發(fā)現(xiàn)，二維石墨烯的吸附能力很強(qiáng)，即其吸附作用包括功能基團(tuán)、陰陽離子-π和π-π的相互作用。目前，許多研究人員致力于石墨烯吸附作用的研究，且研究發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片在去除水中的重金屬離子上效果理想。例如，Zhao等人利用氧化石墨烯納米片（少數(shù)層）來對溶液中Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）進(jìn)行去除試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，吸附效果最易受到溶液pH值的影響、不易受到離子強(qiáng)度的影響；含氧官能團(tuán)在吸附重金屬離子上的作用明顯，且當(dāng)pH=6、溫度=303K時，石墨烯納米片對Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）的吸附量高達(dá)68.2mg/g和106.3mg/g。

2.3 光催化

關(guān)于光催化去除污染物，通過光催化反應(yīng)得到的自由基可完全分解污染物，且具有安全、節(jié)能、綠色等特點(diǎn)。但在光催化反應(yīng)中，表面反應(yīng)、表面電荷空穴分離和光電吸收卻受制于半導(dǎo)體的影響，所以光催化去除污染物的效率較低。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯的電子遷移率較高，且比表面積較大，所以當(dāng)其與半導(dǎo)體復(fù)合后，可使光催化的效率大幅提高，即：石墨烯平面π-π鍵可使有機(jī)物吸附量得以增加，并進(jìn)一步提高污染物與自由基接觸的效率；石墨烯可使半導(dǎo)體吸附光的范圍發(fā)生改變，且石墨烯在與半導(dǎo)體復(fù)合后，其吸附范圍因紅移而使帶寬下降，繼而使得光吸收效率得以提高；石墨烯與半導(dǎo)體復(fù)合，既可使體系具備更高的電子轉(zhuǎn)移速率，又可促進(jìn)電子-空穴對發(fā)生分離及使其復(fù)合速率下降，同時價帶上激發(fā)電子的充分利用可使光催化效率大大提高。

2.4 電容去離子

在電容去離子技術(shù)中，石墨烯的應(yīng)用備受行業(yè)關(guān)注。其中，電容去離子技術(shù)的原理為：由一對多孔電極去除水中的帶電物質(zhì)，且當(dāng)1-2V外壓施加給電極后，將會在電極表面形成雙電層結(jié)構(gòu)，由此對相反的電荷離子進(jìn)行吸附去除。電容去離子技術(shù)因需在電極表面上吸附待去除的離子，則要求電極選材的比表面積較大、多孔結(jié)構(gòu)相互連通、化學(xué)穩(wěn)定性良好和電子遷移速度快等，如選用碳納米管、碳凝膠和活性炭等材料。其中，活性炭因具有微孔結(jié)構(gòu)而使離子的進(jìn)入、擴(kuò)散活動受限，所以其吸附效果略差。

結(jié)語

綜合前文，石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)獨(dú)特，所以其物理、化學(xué)性質(zhì)優(yōu)異，同時二維石墨烯膜的硬度高及其采用了單原子層結(jié)構(gòu)，繼而實(shí)現(xiàn)了其在多領(lǐng)域的應(yīng)用，如可在選擇分子時應(yīng)用多孔結(jié)構(gòu)、在水處理中利用滲透作用?？傊?，石墨烯膜處理工藝在水處理中的應(yīng)用極具現(xiàn)實(shí)價值，值得高度重視。