Как работает обработка воды графеном?

В связи с постоянным ростом населения мира и ухудшением загрязнения воды очистка сточных вод привлекает беспрецедентное внимание. Люди активно ищут способы очистки и утилизации сточных вод. Основываясь на преимуществах большой удельной поверхности, высокой прочности, хорошей химической стабильности, сильных модифицируемых свойств и хорошей электропроводности, графен может не только адсорбировать органические растворители, тяжелые металлы и другие загрязнители в воде, но также действовать как носитель катализатора для катализа. деградация загрязняющих веществ в воде. Поэтому графен широко изучается как материал для очистки сточных вод.

Беспорядочный сброс и сброс промышленных сточных вод, городского бытового мусора и распыление пестицидов усугубили нехватку ресурсов пресной воды, которых уже мало и которые не могут быть использованы людьми. Ежегодно большое количество сточных вод в промышленности Китая по охране окружающей среды оказывает большое давление. Загрязнение воды становится все более серьезным, поэтому очистке сточных вод уделяется беспрецедентное внимание.

Люди активно ищут способы очистки и утилизации сточных вод. Основываясь на преимуществах большой удельной поверхности, высокой прочности, хорошей химической стабильности, сильных модифицируемых свойств и хорошей электропроводности, графен может не только адсорбировать органические растворители, тяжелые металлы и другие загрязнители в воде, но также действовать как носитель катализатора для катализа. деградация загрязняющих веществ в воде. Поэтому графен широко изучается как материал для очистки сточных вод.

Адсорбция графена органических веществ в воде

Графен - самый тонкий и самый твердый материал в мире. Он был обнаружен в 2004 году.

Графеновые материалы могут использоваться для адсорбции органических загрязнителей в воде, таких как органические красители, углеводороды, сырая нефть, пестициды и некоторые природные органические вещества.

Профессор Ван Сянке и др. провели большое количество экспериментов по функционализации поверхности графена с помощью группы сульфоновой кислоты, что улучшило дисперсию графена и, таким образом, увеличило адсорбционную способность графена. Результаты показали, что адсорбционная способность функционализированного графена на нафталине и нафтоле достигает 2,4 ммоль / г. По сравнению с двухмерными материалами, которые имеют низкую нагрузку и могут вызывать вторичное загрязнение, трехмерные материалы могут быть легко переработаны для очистки воды. Исследования показывают, что независимая трехмерная структура легко перерабатывается, что способствует переработке материалов. Это не только простая операция, но и значительно снижает затраты на восстановление, поскольку фактическая промышленная операция имеет большое значение. Трехмерный графен не только хорошо адсорбирует органические красители, но также обладает высокой адсорбционной способностью по отношению к различным типам нефти, что имеет высокую ценность для будущего загрязнения морской водой нефтью.

Профессор Руофф и др. приготовленный губчатый графен путем гидротермального формования; Затем этот материал используется для удаления многих коммерческих нефтепродуктов (включая керосин, насосное масло, консистентные смазки и органические растворители) из искусственной морской воды для проверки их маслопоглощающих свойств. Результаты показали, что материал графеновой губки абсорбирует в 86 раз больше масла, чем его собственный вес, что превышает маслоемкость любого другого обычного абсорбента. Затем углеводороды просто снова нагревают до 99%. Благодаря этому процессу графеновая губка может быть регенерирована и повторно использована более 10 раз без потери производительности.

Профессор Ли Хайтао выбрал фрагменты графена с размером частиц 500 нм, и с помощью специальной физической технологии фрагменты графена были отправлены в поры активированного угля и прикреплены к внутренней поверхности, чтобы увеличить удельную площадь поверхности фильтрующего материала и улучшили эффект фильтрации и разработали функциональный материал - графеновое углеродное молекулярное сито. Материал имеет сверхвысокую адсорбцию, легкий, стабильный, термостойкий, большой удельной поверхности и безвреден для человеческого организма. По сравнению с активированным углем того же веса адсорбционная способность в 20 раз выше. Этот материал графенового углеродного молекулярного сита может быть синтезирован в композитную мембрану, которая может эффективно удалять антибиотики из питьевой воды.

Профессор Лю Чжаопин использовал формамид в качестве движущего агента для получения легированных азотом трехмерных графеновых материалов со структурой нанопленки путем обычного нагрева. Эффективность удаления метиленового синего и родамина B достигла 96,8% и 94,6% соответственно. Спиральный канал, создаваемый легированием азотом, является ключом к непрерывной и эффективной диффузии органического вещества во внутренний слой графена.

Роль графена в лечении загрязнения тяжелыми металлами

Неограниченное развитие науки и техники нанесло большой ущерб окружающей среде. Например, неправильная утилизация электронных отходов привела к загрязнению водоемов тяжелыми металлами. Благодаря большой удельной поверхности графен имеет большой потенциал в области адсорбентов.

Используя гидразин для восстановления оксида графита, Ленг и др. подготовлен rGO, который может самопроизвольно поглощать металлическую сурьму с максимальной адсорбцией 7,463 мг / г. Pan et al. восстановленный ГО с помощью обычно используемого промышленного дисульфида мочевины, и полученный ОГО может спонтанно адсорбировать торий радиоактивного ядерного топлива с максимальной адсорбцией 0,21 мг / г. Из-за небольшого количества функциональных групп на поверхности графена многие исследователи модифицировали и модифицировали графен и применяли его для адсорбции тяжелых металлов, добиваясь хорошего адсорбционного эффекта и даже одновременной адсорбции и удаления различных ионов тяжелых металлов.

Wu et al. модифицированный графен цетилтриметиламмонием (CTAB) и обнаружил, что модифицированный графен может самопроизвольно адсорбировать металлический Cr с максимальной адсорбционной емкостью 21,57 мг / г. Мишра, например, использование водорода для создания хлопьев GO для получения слоев графена, а затем обработка азотной кислотой, богатой функциональными группами поверхности графена, функционализация графена будет использоваться для электрода суперконденсатора, а не только для достижения удаления As и Na в воде, в то же время, опреснение морской воды, наибольшее количество адсорбции соответственно As 142 мг / г (V), As (III) 139 мг / г, что значительно выше, чем у многослойных углеродных нанотрубок и магнитно-восстановительного графита окись.

По сравнению с графеном, GO легче модифицировать, потому что он имеет больше кислородсодержащих функциональных групп и сильную гидрофильность, что также облегчает образование комплексов с металлами, поэтому он более способствует адсорбции тяжелых металлов в воде. Помимо хорошей адсорбции на тяжелые металлы, GO также хорошо адсорбируется на радиоактивном элементе уране (VI).

Ли и др. адсорбировал уран (VI) слоем нанолиста GO, и результаты показали, что максимальная адсорбционная способность GO для урана (VI) составляла 299 мг / г, а эффект адсорбции был значительно лучше, чем у rGO (47 мг / г). Подобно графену, модификация GO может еще больше усилить адсорбционный эффект.

Мададранг и др. Модифицировали ГО с помощью ЭДТА. ЭДТА может образовывать стабильный хелатирующий агент с металлом, поэтому обладает хорошим адсорбционным эффектом. Согласно модели Ленгмюра, максимальная адсорбционная способность го-эдта на Pd2 + достигает 525 мг / г, что почти в 2 раза выше, чем у GO.

Кроме того, трехмерный графен может не только решить проблему разделения твердой и жидкой фаз как макроскопического тела, но также имеет большие преимущества в адсорбционной способности. Lei et al. приготовили трехмерную независимую пену GO с удельной поверхностью 578,4 мг / г, а ее максимальная адсорбционная способность для Cd2 +, Pd2 + и Fe3 + составила 252,5, 381,3 и 57,6 мг / г соответственно.

Gao et al. подготовили 3d-гидрогель графена восстановлением графена дофамином. Уменьшая графен, дофамин модифицировал поверхность графена. Полученный графен хорошо адсорбирует не только тяжелые металлы, но и синтетическое топливо и ароматические загрязнители. Графен может поглощать не только катионы металлов, но и анионы. Например, графен может адсорбировать PO4-, ClO4- и F- в воде. В отличие от фиксированного механизма адсорбции катионов тяжелых металлов, анионы адсорбируются, образуя структуру на графене.

Vilela et al. разработал микроробот на основе графена, который можно использовать для очистки загрязненной воды от токсичных тяжелых металлов. Испытания показывают, что микроробот может восстановить 95% свинца в загрязненных водах в течение часа, снижая концентрацию свинца в воде с 1,0 · 10-6 до 0,5 · 10-7. После химического разделения свинца робот можно снова использовать.

Хотя графен обладает отличными характеристиками при поглощении ионов тяжелых металлов, его трудно найти в крупномасштабном применении в области адсорбции тяжелых металлов из-за его высокой цены и незрелых условий процесса. С уменьшением стоимости получения графена и улучшением его адсорбционного эффекта у графена обязательно будет большая перспектива применения в области адсорбции ионов тяжелых металлов в сточных водах.

Исследование разложения загрязняющих веществ с использованием графена в качестве носителя катализатора

Хотя адсорбция может удалить загрязняющие вещества в воде, эта технология может только адсорбировать загрязняющие вещества, и для достижения истинной очистки воды требуется дополнительная обработка адсорбированных материалов. Полное осаждение или удаление загрязняющих веществ может быть достигнуто посредством каталитического разложения. Каталитический контроль загрязнения имеет низкую стоимость, высокую эффективность и хорошие перспективы применения.

Огромная удельная поверхность и большое количество функциональных групп на поверхности графена наделяют его превосходными свойствами, что делает его большим потенциалом в качестве носителя катализатора и в других аспектах.

Результаты показали, что скорость разложения родамина B и метиленового синего фотокатализатором, приготовленным из диоксида титана / графена с графеном в качестве носителя, была значительно выше, чем скорость разложения чистого TiO2 в ультрафиолетовом свете. Композиты оксид металла / графен обладают превосходной фотокаталитической эффективностью, что может катализировать разложение органических соединений, восстановление катионов тяжелых металлов и очистку воды. Графеновые катализаторы также убивают бактерии в сточных водах. Нанокомпозиты графена и оксида вольфрама обладают хорошими фотокаталитическими свойствами уничтожения фагов. Композитный катализатор TiO2 / графен также показал отрицательное воздействие на нематод и e. coli на свету.

Анализ перспектив рынка

За последнее десятилетие произошли большие открытия в области графена и в том, как материалы на основе графена могут быть использованы для защиты окружающей среды. Уникальная структура и превосходные свойства графена значительно улучшат характеристики экологически чистых материалов. Поскольку графен химически подобен углеродным нанотрубкам и фуллеренам, он будет иметь аналогичные применения в защите окружающей среды. Следовательно, выбор углеродных материалов для использования в области защиты окружающей среды в основном зависит от их цены, технологичности и воздействия на окружающую среду.

В этом отношении, поскольку GO относительно дешев по сравнению с сырым графеном, он, вероятно, будет первым, кто будет применяться в области защиты окружающей среды. Цена GO сравнима с ценой многослойных углеродных нанотрубок, которые дороже активированного угля, но намного дешевле графена, синтезированного с помощью однослойных углеродных нанотрубок и химического осаждения из паровой фазы. Однако из-за увеличения производственных мощностей и оптимизации процесса стоимость материалов на основе графена со временем неизбежно снизится. Затраты на производство графена в лаборатории упали примерно на четверть по сравнению с 2012 годом. Благодаря снижению стоимости графена последующее применение графена приведет к прорыву в индустриализации, а также в исследованиях.

Хотя графен достиг плодотворных результатов исследований в области очистки воды, из-за его высокой цены его применение во многих областях еще долго будет оставаться в стадии исследований.

Удельная поверхность графена огромна, и он очень хорошо поглощает тяжелые металлы и красители в воде. Применение графена в качестве адсорбента в области защиты окружающей среды положит начало процессу индустриализации. В настоящее время, хотя графен обладает превосходными адсорбционными характеристиками по сравнению с активированным углем, он имеет низкую стоимость и не имеет экономической выгоды. Теоретическое значение удельной поверхности графена составляет 2630 м2 / г, но для графена обычного качества трудно превысить 1000 м2 / г. Однако удельная поверхность промышленного активированного угля обычно составляет 800 ~ 1000 м2 / г с развитой микропористой структурой и отличными адсорбционными характеристиками. Поэтому замена активированного угля дорогим графеном для адсорбции различных загрязняющих веществ не представляется необходимой.

Однако графен имеет несравненные преимущества перед активированным углем и другими материалами. Благодаря особой двумерной структуре и распределению пор по размерам он имеет более высокую эффективность адсорбции загрязняющих веществ. Кроме того, синергетические эффекты различных механизмов адсорбции (электростатических, водородных связей, пион-пи-связей и гидрофобных) функциональных групп на поверхностях GO и rGO также приводят к лучшим адсорбционным эффектам.

В настоящее время многие исследования посвящены адсорбции графена на ионах различных тяжелых металлов в воде. Хотя адсорбция тяжелых металлов активированным углем хуже, чем адсорбция графена, этот недостаток может быть восполнен надежным количеством. В последние годы многие отечественные производители графенового сырья создали линии массового производства. С развитием продуктов для последующих применений, постоянное снижение стоимости производства графена является лишь вопросом времени, что в будущем станет лидером на рынке систем очистки сточных вод.

заключение

Графен, особенно го, не только имеет большую удельную поверхность, но также имеет большое количество активных функциональных групп на своей поверхности, таких как карбоксильные, гидроксильные, карбонильные, эпоксидные, а также большое количество дефектов пор. Следовательно, он обладает высокой адсорбционной способностью и хорошей способностью удалять ионы тяжелых металлов и органические загрязнители в окружающей среде. В то же время, когда графен используется в качестве адсорбента, требования к его качеству не очень высоки, что снижает сложность практического применения и в будущем будет иметь очень важные приложения в области очистки сточных вод. Страны по всему миру также выпустили политику, направленную на развитие индустрии графена, особенно перед лицом самой серьезной экологической проблемы в мире, будут продолжать проводить углубленные исследования, чтобы раскрыть огромные преимущества графена. Дефектный графен не идеален, и научно-исследовательский персонал выкапывает его внутренний потенциал, делает его роскошным, улучшая процесс подготовки, чтобы снизить производственные затраты, на основе графена графен обязательно приведет к обеззараживанию окружающей среды, очистке окружающей среды, постепенно займет доминирующее положение в будущей рыночной конкуренции.

Страница содержит содержимое машинного перевода.