石墨烯氣凝膠吸附污水中重金屬離子研究的自然辯證法評述

于慧媛 劉樹信 朱家藝

摘? ? 要：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中的廢水不加處理或處理不當(dāng)排放到水體中導(dǎo)致水體中重金屬離子含量偏高的現(xiàn)象屢有發(fā)生。因重金屬離子毒性極高，不能生物降解且容易在動植物體內(nèi)積累，從而會導(dǎo)致嚴(yán)重危害。因此，研究一種高效吸附污水中重金屬離子的吸附劑意義重大。水熱自組裝和熱退火工藝制備的具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠具有高孔隙率，對重金屬離子有良好的吸附能力，是去除污水中重金屬離子的理想材料。本文運(yùn)用自然辯證法的指導(dǎo)方法和理論，對石墨烯氣凝膠的研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行了評述，分析不同吸附材料的性能及發(fā)展前景，以期更加快速有效地進(jìn)行科學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：石墨烯氣凝膠;污水;重金屬離子;自然辯證法

中圖分類號：X703? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.09.017

Abstract： With the development of the economy， the waste water in industrial production is not treated or treated by improper discharge， which leads to the high content of heavy metal ions. Because of the high toxicity of heavy metal ions， it can not be biodegraded and easily accumulated in the animals and plants， which has become a serious pollution problem. Therefore， it is urgent to study an adsorbent for highly effective adsorption of heavy metal ions. The graphene aerogels， which are prepared by hydrothermal self-assembly and thermal annealing， have high porosity and adsorption capacity to heavy metal ions. They are ideal materials for removal of heavy metal ions. The practice of graphene based aerogels and their applications for adsorption of heavy metal ions was combined with the theory of natural dialectics to review the progress. It will provide reference for the development of adsorption materials for heavy metal ions， environment friendly and high economic benefits.

Key words： graphene based aerogel; waste water; heavy metal ions; natural dialectics

恩格斯的《自然辯證法》是馬克思主義的經(jīng)典著作之一，其中既運(yùn)用辯證法對整個(gè)自然進(jìn)行詮釋，同時(shí)也確立了整個(gè)自然規(guī)律的合法辯證性。通過反思“自然科學(xué)”的理論思維，從而確證辯證法的思維方式[1]。恩格斯的辯證唯物主義自然觀可以概括為對于自然界不同層次物質(zhì)運(yùn)動的整體聯(lián)系、演變、轉(zhuǎn)化和發(fā)展關(guān)系[2]，在從事科學(xué)研究時(shí)運(yùn)用辯證的思維方法，能在很多方面預(yù)測事物科學(xué)發(fā)展的主要方向。《自然辯證法》的研究領(lǐng)域包括天然自然、社會自然、科學(xué)技術(shù)哲學(xué)、思想史、社會、政治、經(jīng)濟(jì)和文化等諸多方面，也成為當(dāng)今環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的重要思想資源[3]。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量含有重金屬離子的工業(yè)污水排放量增加。重金屬離子具有毒性大、難以生物降解且易在生物體內(nèi)積累等特點(diǎn)，如果不能妥善處理，將對環(huán)境造成極大危害。石墨烯氣凝膠具有高孔隙率、高比表面積、表面改性方法多樣化、環(huán)境相容性好等特點(diǎn)，作為一種吸附性能優(yōu)異的吸附劑得到了廣泛研究。

1 石墨烯氣凝膠吸附污水中重金屬離子的作用機(jī)制及其辯證法思想的應(yīng)用

辯證唯物主義認(rèn)為，現(xiàn)實(shí)生活中的事物往往是由多種矛盾共同作用的[4]。矛盾存在于一切事物的發(fā)展過程中，并貫穿于一切事物發(fā)展過程的始終[5]。矛盾有主要矛盾和次要矛盾，在事物發(fā)展過程中處于主導(dǎo)地位，對事物的發(fā)展起決定性作用的矛盾是主要矛盾;在事物的發(fā)展過程中屬從屬地位，對事物的發(fā)展不起決定性作用的矛盾為次要矛盾[6]。

在石墨烯氣凝膠吸附污水中的重金屬離子這一復(fù)雜問題的解決上，要善于抓住主要矛盾，即石墨烯氣凝膠吸附污水中重金屬離子的作用機(jī)制，這一作用機(jī)制為石墨烯氣凝膠獨(dú)特的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)[7-8]有利于重金屬離子在氣凝膠內(nèi)部的快速擴(kuò)散，暴露的活性中心將增加重金屬離子與氣凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)充分接觸的機(jī)會。同時(shí)，還要兼顧吸附材料的可回收性、實(shí)用性等次要矛盾。石墨烯氣凝膠良好的成形性以及對其的磁性功能化修飾不僅能最大限度的減少石墨烯納米片對環(huán)境造成的二次污染，也能使其在吸附污水后更方便的進(jìn)行磁性回收。

此外，所有事物都是由各個(gè)部分構(gòu)成的有機(jī)整體，整體和部分既相互區(qū)別又相互聯(lián)系，二者不可分割，相互影響，是對立統(tǒng)一的關(guān)系[9]。因此，在治理受重金屬污染的污水時(shí)要處理好整體與部分的關(guān)系，從整體著眼，并搞好部分，使整體功能得到最大限度的發(fā)揮。在用石墨烯氣凝膠吸附污水中重金屬離子時(shí)，應(yīng)牢牢把握這個(gè)思想，在治理好污水中重金屬污染的整體前提下，也要考慮到石墨烯氣凝膠材料對水質(zhì)的改變、是否會構(gòu)成二次污染等部分問題。

2 石墨烯氣凝膠的制備及重金屬離子吸附試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 氧化石墨烯氣凝膠（Graphene oxide aerogel， GOA）和石墨烯氣凝膠（Graphene aerogel，GA）的制備

首先，以天然石墨為原料，采用Hummers法[10]制備得到氧化石墨，超聲將其分散在去離子水中，得到5 mg·mL-1氧化石墨烯（GO）分散液，然后將GO分散液在180 ℃水熱釜中水熱反應(yīng)12 h，得到的GO水凝膠在純丙酮中進(jìn)行溶劑交換，再用超臨界CO2干燥得到氧化石墨烯氣凝膠（GOA）。在N2環(huán)境中，以5 ℃·min-1速度加熱到900 ℃并保持3 h，得到石墨烯氣凝膠（GA）。

2.2 氮摻雜氧化石墨烯氣凝膠（Nitrogen-doped graphene oxide aerogel， NGOA）和氮摻雜石墨烯氣凝膠（Nitrogen-doped graphene aerogel， NGA）的制備

首先，按上述步驟制備相同的GO分散液，然后在60 ℃溫度環(huán)境下攪拌，將三聚氰胺水溶液慢慢加入GO分散液中。然后，將混合物轉(zhuǎn)移到水熱釜中，180 ℃加熱12 h后獲得水凝膠，用純丙酮溶液進(jìn)行溶劑交換，再通過超臨界CO2干燥得到氮摻雜氧化石墨烯氣凝膠（NGOA）。將NGOA在N2環(huán)境中，以5 ℃·min-1加熱到900 ℃并保持3 h，得到氮摻雜石墨烯氣凝膠（NGA）。

2.3 重金屬離子吸附試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在25 ℃溫度條件下，用45 mg石墨烯氣凝膠在50 mL重金屬離子溶液（初始濃度為60 mg·mL-1）中進(jìn)行典型吸附試驗(yàn)，在不同時(shí)間間隔提取上清液，測定重金屬離子濃度，計(jì)算出吸附量N（mg·g-1），方程如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果概述及其自然辯證法分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果概述

GOA和GA的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)均由隨機(jī)交聯(lián)的石墨烯納米片組成，內(nèi)部孔隙豐富。由于具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，GOA和GA都可以作為去除重金屬離子的有效吸附劑。以Cd2+為例，Cd2+被認(rèn)為是水資源中一種毒性很大的污染物[11]，利用GOA和GA分別吸附Cd2+。GOA對于Cd2+的吸附量隨吸附時(shí)間的增加而增加，而GA對于Cd2+的吸附量隨吸附時(shí)間的增加而減小，這是由于熱退火過程中，GA結(jié)構(gòu)中石墨烯納米片上含氧基團(tuán)的去除導(dǎo)致相應(yīng)離子吸附位點(diǎn)的減少。

與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片間的無效堆疊會降低氣凝膠的孔隙率，增加石墨烯基氣凝膠的密度，進(jìn)而使其對重金屬離子吸附性能難以進(jìn)一步提高。三聚氰胺分子中含有3個(gè)氨基，是一種廉價(jià)、無毒的化學(xué)試劑。三聚氰胺分子中的氨基與GO納米片上的含氧基團(tuán)之間形成氫鍵[12]，可以防止GO納米片自堆積，使GO納米片充分組裝成多孔結(jié)構(gòu)。因此，本研究結(jié)合GO和三聚氰胺制備了NGOA，在N2環(huán)境下熱裂解后得到NGA。NGOA和NGA也都是由隨機(jī)交聯(lián)的石墨烯納米片組成，具有相似的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。另外，氮摻雜石墨烯氣凝膠比純石墨烯氣凝膠具有更大的孔洞，這是由于三聚氰胺在三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)中具有膨大作用，可以有效防止GO納米片自堆積。試驗(yàn)表明，氮摻雜石墨烯氣凝膠比純石墨烯氣凝膠表現(xiàn)出更高的吸附能力，這是因?yàn)榈獡诫s石墨烯氣凝膠具有更大的體積和更明顯的多孔結(jié)構(gòu)，為Cd2+的有效吸附提供了更多的活性位點(diǎn)，有助于Cd2+向氣凝膠內(nèi)部的吸附中心擴(kuò)散。研究表明，該石墨烯基吸附劑在去除污水中重金屬離子方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果中矛盾的辯證關(guān)系

辯證唯物主義認(rèn)為，矛盾有普遍性與特殊性。矛盾的普遍性即事物的共性;矛盾的特殊性即事物的個(gè)性[13]。對于不同吸附材料（GOA、GA、NGOA、NGA）的指標(biāo)，如吸附性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等，不可能要求某一種吸附材料的所有指標(biāo)都處于最佳，而只能要求一種整體上的最佳效果，這可以看作是矛盾的共性。同一種吸附材料在吸附重金屬離子時(shí)，以上指標(biāo)能達(dá)到一種總體上的平衡，這可以看作是矛盾的特殊性。目前，吸附材料的吸附效果主要受材料孔隙率、比表面積、表面潤濕性及溶液的pH值等條件制約，作為研究人員要盡力將矛盾的思想貫徹在改良吸附材料的研究中去，為研發(fā)出更多的新型吸附材料創(chuàng)造可能性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果中內(nèi)因與外因的辯證關(guān)系

辯證唯物主義認(rèn)為，內(nèi)因是事物發(fā)展的根本原因，外因是事物發(fā)展的外部條件[14]。將石墨烯吸附材料投放到含有重金屬離子的污水中，它能改變重金屬離子在污水中的存在狀態(tài)，降低其活動性。對重金屬離子進(jìn)行吸附、使重金屬離子附著在吸附材料上是內(nèi)因，它的可操作性、對環(huán)境的安全性等是外因。吸附材料的研發(fā)，必須將內(nèi)因和外因的辯證觀點(diǎn)結(jié)合起來。

4 結(jié) 論

自然辯證法是馬克思主義哲學(xué)理論體系的重要組成部分，是關(guān)于自然界和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一般規(guī)律以及人類認(rèn)識自然和改造自然的方法和理論。在本研究利用石墨烯氣凝膠吸附污水中重金屬離子的工作中，充分利用了自然辯證法的指導(dǎo)方法和理論，分析了吸附材料的性能及發(fā)展前景。進(jìn)一步在石墨烯氣凝膠的制備及對重金屬離子的吸附試驗(yàn)中，有效運(yùn)用自然辯證法的指導(dǎo)方法和理論分析了試驗(yàn)結(jié)果及其辯證關(guān)系，證明了采用水熱法制備的石墨烯氣凝膠具有三維結(jié)構(gòu)，吸附性能良好，對重金屬離子有較強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)附加的磁性便于使用后回收再利用，從而為科學(xué)研究提供了理論支持和思想指導(dǎo)，能夠更加快速有效地進(jìn)行科學(xué)研究，充分展示了石墨烯氣凝膠在去除污水中重金屬離子方面具有的廣闊應(yīng)用前景。

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