石墨烯复合材料对水中金属离子的吸附研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华北水利水电学院环境与市政工程学院 作者:李新宝

  石墨烯是一种新型的纳米材料,具有一些独特的物理和化学性质,如高机械强度、良好的导电导热性、比表面积、化学稳定性好等。关于石墨烯的应用涉及到电子、信息、能源、材料、催化和生物医药等多个领域。

  概述了近年来石墨烯复合材料在水处理过程中对重金属离子的吸附研究,内容有石墨烯复合材料的制备及它们的吸附效果、吸附机理、吸附动力学、热力学,并就今后石墨烯复合材料在水处理过程中的应用进行了展望。

  1、引言

  随意排放的含有重金属离子的废水近年来逐渐成为世界范围环境保护主义者共同关注的焦点。如来源于金属冶炼厂、化工厂、采矿场和电池厂等所排放的废水中含有一种甚至多种有毒的重金属离子。这些有毒重金属离子可使生物体中的酶失去活性,即使含量很小也有毒性,主要是由于它们能在生物体内积累,不易排出体外,故危害极大;从环境保护的角度,这些含有有毒重金属离子的废水在排放之前必须要经过处理。除去水中重金属离子的方法有离子还原、共沉淀、膜过滤、离子交换和吸附等。在这些方法中,吸附法由于具有相对低的成本、操作简单、不产生二次污染、容易再生等优点,因而应用比较广泛。吸附法的关键是找到有效的吸附剂,该吸附剂应具有较高的吸附量、较快的吸附速率、方便回收及容易再生等特征。碳纳米材料中活性炭、多孔碳、碳纳米管由于具有化学性质稳定、比表面积大、孔结构分布范围广和可实现大规模生产等优点被用作吸附剂用于废水处理。但活性炭和多孔碳的吸附量不高,吸附速率较慢;碳纳米管的吸附效果较好,但其大规模生产的成本仍较高。与碳纳米管具有相似结构但拥有更大比表面积的石墨烯一经出现就被认为是一种理想的吸附材料。

  石墨烯(graphene,GN)自2004年被发现以来,由于其独特的结构与性能,使其迅速成为国际新材料领域研究的焦点。GN是由单原子层的碳原子经过sp2杂化形成的二维原子晶体,单层GN示意图如图1(a)所示。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象,使GN表现出许多优异的性质。例如,GN的强度是已知材料中最高的,达130GPa,是钢的100多倍;其载流子迁移率达15000cm2/(V·s),是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍,超过商用硅片迁移率的10倍以上;其热导率可达5000W/(m·K),是金刚石的3倍;其理论比表面积高达2630m2/g。

GN及GO结构示意图

图1 GN及GO结构示意图

  此外,GN还具有室温量子霍尔效应及铁磁性等特殊性质。这些性质使GN在诸多领域都有着潜在的应用,如场效应晶体管、太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、传感器、复合材料、催化、吸附、药物输送等。同时又由于GN具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点,人们预测GN在21世纪将掀起一场新的技术革命。

  由于具有机械强度高、化学性质稳定、比表面积大等突出优点,GN在水处理中的应用前景值得期待。但GN的结构为sp2杂化的C原子形成的单原子层,这使其表现出明显的憎水性。此外,由于范德华力的作用GN片层容易重新堆积形成石墨。在实际应用中常用的是氧化石墨烯(grapheneoxide,GO),它是石墨氧化的产物,经过还原即可转化为GN。GO表面含有大量的含氧,如—COOH和—OH等。这些含氧官能团不仅使GO在水中表现出亲水性,而且还可成为活性吸附位吸附水中的重金属离子,更是制备石墨烯复合材料的前驱体。GO的结构如图1(b)所示。本文概述了石墨烯复合材料的制备及其作为吸附材料除去水中重金属离子的吸附效果、机理、动力学、热力学,最后对石墨烯复合材料在水处理中的应用进行了展望。

  结语

  自从发现稳定存在的单层GN结构以来,关于GN的研究不断取得重要进展,在微电子、量子物理、材料、化学、环境等领域都表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景。石墨烯复合材料吸附金属离子在相对低的pH值时主要靠离子交换,在相对高的pH值时可以是静电作用也可以是络合作用或两者兼而有之;吸附过程一般均可用准二级动力学来描述;吸附等温线符合Langmuir模式;吸附热力学为一自发、吸热的过程。

  石墨烯复合材料稳定性好、成本低、容易回收、方便再生,同时对重金属离子的饱和吸附量高、吸附速率快。此外,GN与含有苯环的芳香化合物之间存在强的π-π作用,这是石墨烯复合材料用于吸附除去水中芳香污染物的理论基础。由此可见,石墨烯复合材料作为新型吸附材料不仅可以有效的除去水中的重金属离子,同时还可高效的除去水中的芳香化合物。另外,不得不提的是负载半导体光催化剂(如TiO2、ZnO等)的复合材料在光催化降解水中污染物方面也有着优异的表现。可以预见在不远的将来,石墨烯复合材料在水处理领域必将大显身手。

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