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石墨烯材料在水处理方面的应用研究 更易进行结构的调控和设计
作者:  来源:  时间:2019年01月14日  字体:[  复制 打印 网址

作为水处理材料,石墨烯材料的应用前景值得期待,一方面在于它具有二维的平面结构、开放的孔结构、良好的柔韧性、高的机械强度、化学性质稳定及比表面积大等突出优点,另一方面,与石墨烯结构类似的碳纳米管材料表现出了良好的吸附性能,而且石墨烯与碳纳米管相比,比表面积更大,且更易进行结构的调控和设计。


一、石墨烯及其衍生物在水处理方面的研究

1、对重金属离子的吸附

石墨烯材料对重金属离子吸附的研究,绝大多数集中于氧化石墨烯,因为氧化石墨烯含有丰富的含氧基团,这些含氧基团能够高效地与金属离子作用,因而其对重金属离子的吸附性能要优于石墨烯。

2、对有机物的吸附

石墨烯材料作为一种吸附剂也可用作吸附有机污染物,如染料、抗生素、杀虫剂、原油等。石墨烯材料的种类以及吸附质中是否含有-NH2、-OH、-COOH等功能团对吸附的机理和过程具有很大的影响。石墨烯材料对有机物的吸附作用主要包括:静电作用、疏水作用、π-π键、氢键。


二、石墨烯复合材料在水处理方面的研究

1、石墨烯/金属氧化物复合材料吸附剂

1.1石墨烯/Fe3O4复合材料

Fe3O4具有较大的比表面积、良好的生物相容性及磁学性能,常用作水处理材料。但是Fe3O4粒径小,容易团聚,此外在连续流系统中,它会氧化成α,γ-Fe3O4。石墨烯和Fe3O4复合能有效克服上述缺点,而且复合后能增强Fe3O4的使用寿命,在吸附后期处理过程中能够快速分离,因而磁性石墨烯复合材料用作水处理的研究日益得到重视。

用石墨烯反应器(GAR)处理城市废水,如含药物(咖啡因、卡马西平、布洛芬和双氯芬酸)废水,对它们的去除率都高于95%。与传统活性炭相比,石墨烯反应器对药物混合物去除效果相当好。

1.2石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

除Fe3O4外,石墨烯还可以和SiO2、ZnO、MnO2、CoFe2O4、ZrO2形成复合材料用于水处理材料,这些复合材料不仅具有良好的吸附性,而且有的还对某种金属离子具有高度选择性。

2、石墨烯光催化复合材料在水处理方面的研究

石墨烯具有优良的电子传输性能,在光催化过程中,将石墨烯和光催化材料复合,可以有效发挥两者的优势,通过协同效应,进一步增强复合材料的光催化性能。

2.1石墨烯/TiO2复合材料

TiO2是一种优异的光催化材料,但TiO2光激发产生的电子-空穴对极易复合,而石墨烯具有的独特的电子传输特性可以降低光载流子的复合,提高TiO2光催化效率。目前石墨烯/TiO2复合材料主要用于光降解有机污染物,复合材料相比较TiO2纳米粒子,其光催化性能有大幅度提高,目前石墨烯/TiO2复合材料用作光降解的有机物有亚甲基蓝、罗丹明B、甲基橙、苯酚、丙酮、孔雀绿等。


2.2石墨烯与其它金属氧化物形成的复合材料

除TiO2外,石墨烯还可以和其它的金属氧化物和化合物形成复合材料用作光催化材料,目前已经有CdS、ZnO、WO3、CuO、Mn3O4、Mn2O3、SnO2、Bi2WO6、ZnWO4、Bi2MoO6、BiVO4、BaCrO4、CoFeO4等金属氧化物及化合物。这些石墨烯复合材料有时显示出了比石墨烯/TiO2还要高的光催化性能,一般来说,金属氧化物的形貌,在石墨烯面上分布及氧化物的缺陷对其光催化性能有重要的影响。目前该类石墨烯复合材料主要用作降解有机染料。

总之,石墨烯及其氧化物的复合材料在水处理中具有广泛的应用前景。

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