石墨烯復合材料在廢水行業(yè)中的應(yīng)用進展

杜秉霖，田士東，張生軍，李克倫，王奕晨，張紅星，譚曉婷

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責任公司,國家能源煤炭分質(zhì)清潔轉(zhuǎn)化重點實驗室,陜西 西安 710065)

近年來，由于人口增加、全球氣候變暖、降雨不足以及工業(yè)大量用水等原因，導致淡水消耗過大。工業(yè)化的快速發(fā)展導致大量廢水產(chǎn)生，這些廢水包含酚類、油類、細菌、鹽類、淤泥、重金屬離子等，已經(jīng)成為急需解決的環(huán)保問題之一。石墨烯復合材料具有高電荷載流子遷移率，大表面積以及良好的生物相容性，使得石墨烯復合材料成為廢水凈化方面的理想材料[1]。按復合組分的不同，可將石墨烯復合材料分為石墨烯-納米粒子復合材料(石墨烯與納米粒子復合)[2]、石墨烯-聚合物復合材料(石墨烯作為添加材料或載體與聚合物進行復合)[3]、石墨烯-碳基材料復合材料(石墨烯與碳納米管、富勒烯等組裝形成復合材料)。此外，石墨烯還可以與高分子材料、金屬氧化物等其它物質(zhì)組成復合材料[4-5]。

1 石墨烯-納米復合材料在廢水處理中的應(yīng)用

Cheng等通過Hummers法制得氧化石墨烯(GO)，然后對GO進行功能化，最后采用水熱法以TETA為還原劑制備了還原的氧化石墨烯/ Ag納米顆粒復合物，該復合物對痕量濃度的Cu2+、Cd2+和Hg2+的檢測限分別為10～15 M、10～21 M和10～29 M。因此，其可用于檢測痕量重金屬離子的傳感器上[6]。Lingamdinne等制備的磁性氧化石墨烯的納米復合材料(MGO)具有優(yōu)異的磁特性、高比表面積、高化學穩(wěn)定性等特點，已被廣泛用于從水性環(huán)境中去除重金屬、放射性核素和有機染料[7]。Jabeen等通過在氬氣氛下氧化石墨烯和氯化鐵的硼氫化鈉還原制備納米零價鐵納米顆粒石墨烯復合物(G-nZVI)，通過吸附實驗測得6 wt% GO負載量的G-nZVI復合材料對Pb(II)的吸附能力最大[8]。

2 石墨烯-聚合物復合材料在廢水處理中的應(yīng)用

石墨烯聚合物復合材料具有優(yōu)異的導電性、機械性、儲能性等性能，可實現(xiàn)對污水的檢測與處理。2006年Ruoff等[9]首次報道了石墨烯/聚苯乙烯復合材料。隨后，石墨烯/聚合物復合材料的相關(guān)研究取得了飛速發(fā)展，進而成為研究熱點。石墨烯/聚合物復合材料可通過原位聚合法、溶液共混法、熔融共混法制得[10]。Shao等采用原位聚合技術(shù)合成了聚苯胺改性氧化石墨烯(PANI/GO)復合材料，并應(yīng)用于水溶液中預(yù)濃縮U(VI)。 PANI/GO復合材料對U(VI)的最大吸附能力在pH值=5.0時達到1960 mg/g，在pH值 = 3.5時達到610 mg/g，比傳統(tǒng)吸附劑和納米材料高出兩個數(shù)量級。PANI/GO復合材料對高濃度鹽具有理想的耐受性，并且具有良好的再生循環(huán)利用性能。因此，PANI/GO復合材料在核燃料水溶液中提取U(VI)和清除環(huán)境污染方面具有很好的應(yīng)用前景[11]。Saleh等制得石墨烯/聚酰胺復合材料，該復合材料吸附性能好，再生效率高，對水溶液中的Sb(III)有很高的吸附能力(158.2 mg/g)，因此可作為Sb(III)去除的新型吸附劑[12]。Hu等制備了石墨烯氧化物/聚吡咯(GO/PPY)復合材料，這種材料對苯酚和苯胺的吸附能力非常高，并且通過乙醇對苯酚和苯胺的解吸可再生出GO/PPY復合材料，而且吸附能力沒有明顯下降，因此可循環(huán)使用[13]。Zheng[14]等采用漆酚與氧化石墨烯(GO)片反應(yīng)并聚合，形成由聚合物骨架連接的3D石墨烯聚漆酚(3D-PU-G)。與傳統(tǒng)的3D-G相比，3D-PU-G復合材料疏水性、吸附能力、機械強度和可回收性均有顯著提高，非常適合用于水的凈化。例如，3D-PU-G在20 kPa以上具有較高的穩(wěn)定性和強度，并且對水中的各種有機溶劑和油的吸附能力較3D-G也提高了1.62～1.97倍。在運行100多個循環(huán)后，3D-PU-G復合材料依然表現(xiàn)出高度穩(wěn)定的強度和吸附能力，而3D-G復合材料僅僅只能運行3個循環(huán)。

3 石墨烯-碳基材料復合材料在廢水處理中的應(yīng)用

4 其他石墨烯復合材料在廢水處理中的應(yīng)用

Guo等[20]通過Hummers法制得氧化石墨烯(GO)，然后用Fe3+處理以形成Fe3+@GO絡(luò)合物，最后通過添加NaBH4溶液，F(xiàn)e3+和GO同時原位還原為Fe和石墨烯，形成Fe納米顆粒@石墨烯復合物(FGC)。FGC的形態(tài)和結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明，尺寸為5 nm的Fe納米顆?？梢跃毜胤稚⒃谑┢?。FGC對印染廢水中的甲基藍具有很好的脫色作用，與裸Fe顆粒相比，F(xiàn)GC雜化物顯示出更好的去除能力。Liu[21]等將石墨烯氧化，然后與Fe2+/Fe3+溶液混合，通過高壓水熱反應(yīng)制得氧化石墨烯(Go)-Fe3O4復合材料，該復合材料表面引入了大量的官能團，這些官能團可以被各種分子固定，對廢水中Cu2+的去除能力強，因此在重金屬離子污染等方面具有良好的應(yīng)用前景。Luo[22]等組裝的凹凸棒納米纖維/GO復合物膜，水通量高達221.16 L/(m2·h·bar)，比純GO膜高7.7倍，表明其在水處理中潛在的應(yīng)用前景很大。

5 結(jié)語

綜上所述，石墨烯類復合材料在廢水的檢測和凈化處理方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力，是治理廢水的極佳材料，但應(yīng)用于該領(lǐng)域的石墨烯類復合材料的協(xié)同作用機制方面的研究，現(xiàn)在還不是很深入。要想獲得產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良的應(yīng)用于廢水治理方面的石墨烯類復合材料，還需進一步研究與探索。