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工業(yè)化進(jìn)程的加速,導(dǎo)致工業(yè)廢水排放量噌噌上漲,本就讓末端的水處理行業(yè)壓力與日俱增。
往往這些工業(yè)廢水中還帶有復(fù)雜的芳環(huán)結(jié)構(gòu)或重金屬離子,傳統(tǒng)水處理工藝難以對(duì)其做到完全的分解、去除。
污水處理企業(yè):屋漏偏逢連夜雨吶~
于是,行業(yè)內(nèi)默默開(kāi)啟一陣內(nèi)卷,紛紛尋找起去除率更高、處理污水能力更強(qiáng)的新工藝、新材料。
石墨烯,就是得到大家一致認(rèn)可的新材料之一,也被笑稱為“21世紀(jì)最有能力輕松攻克工業(yè)廢水處理”的熱門(mén)材料。
印度科學(xué)博士Ramavatar Meena曾說(shuō)過(guò),將石墨烯類(lèi)復(fù)合物和反滲透結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)染料、紡織類(lèi)高濃度工業(yè)廢水的高效處理。
那么,石墨烯究竟是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高濃度工業(yè)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(gè)字,石墨,相信大家肯定就都認(rèn)識(shí)了。
沒(méi)錯(cuò),就是鉛筆芯,它就是由一層層石墨烯堆疊起來(lái)的。
有個(gè)量化的說(shuō)法,用鉛筆輕劃過(guò)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(qiáng)度還高上百倍。
石墨烯:好歹和鉆石師出同門(mén)。
除此之外,它的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、拉伸性、散熱性也擔(dān)當(dāng)?shù)闷稹白睢币蛔帧?/span>
正是擁有如此多“最”性能,如此有排面的石墨烯,卻長(zhǎng)了一張普通的“足球網(wǎng)”臉面。
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(wú)數(shù)個(gè)六邊形晶格無(wú)縫連接,就構(gòu)成只有一個(gè)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(lái):就這“足球網(wǎng)”,用來(lái)處理復(fù)雜的工業(yè)廢水?
石墨烯是怎么進(jìn)行工業(yè)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(dá)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(chǔ)。
為什么這里之淮說(shuō)的是奠定,而不是具有良好吸附性能?大家繼續(xù)看下去。
因?yàn)?,單一石墨烯畢竟?shì)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(méi)有沒(méi)有活性基團(tuán),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(guò)久;
水友C:它還極易發(fā)生團(tuán)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(yè)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(fù)合材料成功面世。
它們不僅強(qiáng)化了石墨烯的吸附能力,還順帶挖掘了它協(xié)同光催化材料增強(qiáng)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(chǔ)在那里了,別羨慕,你們學(xué)不來(lái)~
氧化石墨烯 -- 超強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)化吸附的利器:含氧官能團(tuán)。
這些含氧官能團(tuán)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(zhì)穩(wěn)固地結(jié)合形成復(fù)合物,從而對(duì)工業(yè)廢水中的重金屬離子和有機(jī)污染物有較好的吸附作用。
①對(duì)重金屬離子的吸附
氧化石墨烯對(duì)重金屬離子的吸附,主要通過(guò)靜電作用和絡(luò)合反應(yīng)。
重金屬在水中大多以陽(yáng)離子形式存在,而含氧官能團(tuán)一般帶負(fù)電荷,通過(guò)靜電作用,這部分陽(yáng)離子重金屬能夠得到較好的吸附去除。
其中,一些多價(jià)金屬離子更容易和含氧官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),通過(guò)離子交換,達(dá)到去除目的。
有關(guān)研究表明,氧化石墨烯對(duì)水體中鉛的吸附量是活性炭的10倍,其對(duì)汞的去除能力比其他吸附劑高 5倍。
②對(duì)有機(jī)污染物的吸附
氧化石墨烯對(duì)廢水中的陽(yáng)離子染料、芳香族化合物及高分子有機(jī)物等有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的吸附作用,主要通過(guò)靜電作用和π-π交互作用。
含氧基團(tuán)使氧化石墨烯表面帶負(fù)電,通過(guò)靜電作用,能夠強(qiáng)有力的吸附廢水中的陽(yáng)離子污染物。
而廢水中的芳香族化合物則會(huì)和π-π鍵相互作用,發(fā)生有效吸附。
石墨烯類(lèi)復(fù)合材料 -- 協(xié)同光催化材料提高水處理效率
眾所周知,光催化反應(yīng)作為一種環(huán)境友好型水處理技術(shù),深受大眾喜愛(ài)。
其作用原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是,利用光來(lái)激發(fā)半導(dǎo)體催化劑,引起氧化還原反應(yīng),從而氧化分解廢水中的污染物。
這一過(guò)程說(shuō)起來(lái)還挺復(fù)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(wěn),這光催化反應(yīng)效率就直線上升了。
而石墨烯類(lèi)復(fù)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(shí)現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移,降低光生載流子的復(fù)合。
眾人:天下武功,唯快不破啊~
其與光催化材料結(jié)合,就能大大提高催化效率,達(dá)到協(xié)同處理廢水污染物的目的。
被大家稱為“21世紀(jì)最佳光催化材料”的二氧化鈦,本身已經(jīng)具備很好的光催化能力。但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,二氧化鈦/氧化石墨烯復(fù)合物又進(jìn)一步提高了光催化能力,增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)染料的光降解效果。
眾人:雙......雙......雙21世紀(jì)之光?!
另外,石墨烯類(lèi)復(fù)合材料具備的巨大比表面積和薄到透明度極高的優(yōu)勢(shì),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(guò)程中提高材料的吸附性能,實(shí)現(xiàn)廢水潔凈。
目前石墨烯光催化應(yīng)用這一點(diǎn),已在城市黑臭水體治理中得到了較好的實(shí)踐效果。
最新的研究
1、石墨烯上的“納米海綿”可成為工業(yè)廢水的高效過(guò)濾器
8月5日消息,維也納大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)了一種新的復(fù)合材料,可以有效地過(guò)濾掉水中的有機(jī)污染物。該系統(tǒng)使用嵌入石墨烯片上的超多孔“納米海綿”。
新過(guò)濾器的關(guān)鍵是一類(lèi)叫做共價(jià)有機(jī)框架(COFs)的材料。這些結(jié)構(gòu)是非常多孔的,使它們?cè)诤苄〉目臻g內(nèi)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(jī)框架(MOFs)的相關(guān)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(lèi)似的功能。
在這項(xiàng)新的研究中,研究人員專注于使用COFs來(lái)去除水中的有機(jī)染料。這些化學(xué)品是工業(yè)廢水的常見(jiàn)污染物,可能具有毒性和致癌性--更不用說(shuō)難以去除。
該團(tuán)隊(duì)調(diào)整了COFs,使其有選擇地抓住有機(jī)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(fù)電,以吸引帶正電的染料分子。
但是還有一個(gè)障礙需要克服。當(dāng)這種材料以粉狀形式使用時(shí),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(méi)有用處。因此,該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種方法,通過(guò)在石墨烯薄片上種植COFs來(lái)分散它。
最終的結(jié)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(jī)染料分子的最大容量。石墨烯本身具有相當(dāng)大的孔隙,允許水快速流過(guò),同時(shí)COFs發(fā)揮其作用。
研究人員表示:“因此,石墨烯網(wǎng)絡(luò)的大孔與超薄的COFs層及其大量的吸附點(diǎn)相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)特別快速和高效的廢水處理?!?/span>
研究小組表示,這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該也是相當(dāng)便宜的。不需要使用太多的石墨烯,而且COFs可以被清理出來(lái)并重新使用。
該研究發(fā)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(zhǎng)著許多小觸手,“肚”(內(nèi)腔)被分成幾個(gè)小房間(消化腔),海水流過(guò)這些小房間,將食物帶入消化腔吸收. 珊瑚對(duì)水中食物的吸收和消化啟發(fā)了我們的材料設(shè)計(jì)方法。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)Yanzong Zhang《Chemical Engineering Science》期刊發(fā)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(shè)計(jì)了一種 3D 仿生 ZIF-8@rGO氣凝膠,在重復(fù)循環(huán)中具有高吸附性和穩(wěn)定性。
ZIF-8 納米顆粒具有孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,可作為許多觸手并在 rGO 氣凝膠上生長(zhǎng)。在這里,rGO 氣凝膠不僅可以作為基質(zhì),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(huì)迅速尋找 TC 分子。此外,這種錨定結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了TC分子在“珊瑚腹”內(nèi)的停留時(shí)間,同時(shí)增加了TC分子擴(kuò)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(guò)濾和保留染料,這對(duì)于其他潛在應(yīng)用很有前景。
看到這里,有人要問(wèn)了:說(shuō)了那么多優(yōu)點(diǎn),為什么現(xiàn)在石墨烯在工業(yè)廢水處理市場(chǎng)還沒(méi)有鋪張開(kāi)來(lái)?
眾人:好像生活污水處理市場(chǎng)也沒(méi)完全鋪開(kāi)來(lái)啊。
石墨烯市場(chǎng)化應(yīng)用難點(diǎn)
這個(gè)問(wèn)題不難回答。
新材料行業(yè)通常有“三高三長(zhǎng)”的特點(diǎn):難度高、投入高、門(mén)檻高,研發(fā)周期長(zhǎng)、驗(yàn)證周期長(zhǎng)、應(yīng)用周期長(zhǎng)。
任何一種新材料從研發(fā)、面世、試驗(yàn),到投產(chǎn)、推廣、應(yīng)用,都是一個(gè)漫長(zhǎng)且無(wú)知的磨合過(guò)程。
石墨烯盡管有這么多優(yōu)點(diǎn)值得應(yīng)用,卻抵不過(guò)它目前的困境:無(wú)法高效率、規(guī)?;苽?。這也使得下游材料企業(yè)市場(chǎng)對(duì)它不太認(rèn)可。
需要大量實(shí)際應(yīng)用案例來(lái)驗(yàn)證石墨烯的功能,又缺少資金投入來(lái)制備大量石墨烯,這說(shuō)到底還是錢(qián)的事情。
如何穩(wěn)定、高校、量產(chǎn)石墨烯及其衍生物和復(fù)合材料,用以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求,將會(huì)是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間科研人員的重點(diǎn)研究課題。
對(duì)于水處理行業(yè)來(lái)說(shuō),一旦進(jìn)行投產(chǎn),我相信石墨烯的實(shí)際應(yīng)用能力會(huì)比現(xiàn)在的多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加出彩。
畢竟,是騾子是馬,要拉出來(lái)溜溜才知道~
最后,之淮大膽猜想一下,距離實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜工業(yè)廢水處理起來(lái)沒(méi)什么難度”,應(yīng)該不會(huì)太遠(yuǎn)了。