基于石墨烯在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的探討

程小豹 劉崢 楊永強 趙衛(wèi)芳 王勤生

摘要：生態(tài)環(huán)境是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，污染對生態(tài)環(huán)境的破壞嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，迫使我們加強科技手段創(chuàng)新。石墨烯因其獨特的結(jié)構(gòu)和性能可以有效吸附水和大氣中的有害物質(zhì)，為環(huán)境保護(hù)提供新的選擇。本文重點對石墨烯在水處理和大氣保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，希望能夠發(fā)揮石墨烯在環(huán)保方面的性能優(yōu)勢，為我國生態(tài)文明建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù);石墨烯;水處理;大氣保護(hù)

中圖分類號：X703.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）05-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.146

Discussion on application of graphene in environmental protection

Cheng Xiaobao1，2，Liu Zheng1，2，Yang Yongqiang1，2，Zhao Weifang1，2，Wang Qinsheng1，2

（1.Jiangsu Special Equipment Safety Supervision and Inspection Institute，Wuxi Jiangsu 214174，China;

2.National Graphene Product Quality Supervision and Inspection Center （Jiangsu），Wuxi Jiangsu 214174，China）

Abstract：The ecological environment is the foundation of economic development.The damage of pollution to the ecological environment severely restricts the development of our economy and forces us to strengthen innovation in science and technology.Because of its unique structure and properties，graphene can effectively adsorb harmful substances in water and the atmosphere，providing a new choice for environmental protection.This article focuses on the analysis of the application of graphene in water treatment and atmospheric protection，hoping to take advantage of the performance advantages of graphene in environmental protection and contribute to the construction of ecological civilization in China.

Key words：Environmental protection;Graphene;Water treatment;Atmospheric protection

環(huán)境破壞與污染等問題突出體現(xiàn)在水和大氣污染方面，我國科研工作者在水污染防治和大氣污染防治中做了大量工作，尤其在新材料的應(yīng)用上做了很多有益的探索，其中石墨烯以其獨特的優(yōu)勢在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。研究分析石墨烯在環(huán)保領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用具有科學(xué)意義和重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 石墨烯的制備

受益于制備技術(shù)的發(fā)展，石墨烯的制備工藝得到優(yōu)化，制備成本不斷的下降，為其工業(yè)化生產(chǎn)以及普及提供了條件?，F(xiàn)階段，不同的方法制備的石墨烯也存在一定的差異。目前應(yīng)用較多的當(dāng)屬以下幾種。

1.1 微機械剝離法

利用此種方法可以獲得單層結(jié)構(gòu)完整的石墨烯，但難以實現(xiàn)對尺寸的準(zhǔn)確控制，在工業(yè)化生產(chǎn)上存在著較大難題。

1.2 外延生長法

用這種方法獲取的石墨烯品質(zhì)較好，但目前尚未產(chǎn)業(yè)化。該法制備過程較為復(fù)雜，首先需要利用氧氣或氫氣對單晶6H-SiC進(jìn)行刻蝕，然后利用電子轟擊加熱去除結(jié)構(gòu)中氧化物，最后冷卻得到石墨烯。

1.3 化學(xué)氣相沉積法

該方法借鑒部分無機材料制備工藝，可以實現(xiàn)對石墨烯氣相沉積過程的精準(zhǔn)控制，并且生產(chǎn)出來的石墨烯具有面積大、品質(zhì)好的特點，但該方法能耗較高。該方法生產(chǎn)出來的石墨烯在信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)有一定的應(yīng)用。

1.4 氧化還原法

該方法是比較常用的方法，用這種方法制備石墨原料成本低、操作簡便、質(zhì)量穩(wěn)定，適用于規(guī)模化生產(chǎn)。但該方法在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生環(huán)境污染，生產(chǎn)的石墨烯在結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能方面存在一定的缺陷，制約其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。

1.5 其他制備方法

受傳統(tǒng)制備方法的啟發(fā)，或者是采用新技術(shù)，越來越多的石墨烯制備方法面世。Nethravathi等人采用溶劑換元法得到高品質(zhì)的石墨烯，該方法工藝流程易操作，所用原料經(jīng)濟(jì)易得，且不易造成環(huán)境污染，是較理想的制備方式。Li[3]等將純石墨烯棒放置在NH3氛圍下，利用直流電，制備出了N摻雜的石墨烯。

2 水處理中對石墨烯的應(yīng)用研究

水資源的短缺嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，石墨烯材料憑借其在吸附性能方面所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性，在水污染治理領(lǐng)域得到了人們的青睞。

2.1 石墨烯處理廢水中重金屬元素的應(yīng)用

重金屬離子是廢水處理和循環(huán)使用的難點，石墨烯材料極大的比表面積，可以增加其與水的接觸面積，可以吸附廢水中的重金屬離子。對石墨烯進(jìn)行修飾與改性可以提高親水性，實現(xiàn)對重金屬離子的配絡(luò)反應(yīng)，提升吸附效率。酸堿度會影響石墨烯對金屬離子的吸附能力，pH值的升高會增強對Pb2+和Cd 2+的吸附性能，且優(yōu)于其他傳統(tǒng)吸附材料。

2.2 石墨烯處理廢水中有機物的應(yīng)用

水中過多有機物的存在會降低水的含氧量，導(dǎo)致水質(zhì)的變差和水污染。石墨烯可以實現(xiàn)對有機染料、抗生素以及油等有機物的吸附。

首先，紡織業(yè)是水中有機物污染物最重要的來源，染整等工藝會產(chǎn)生大量富含有機染料的廢水，其濫排對水體和人體會造成嚴(yán)重危害。文獻(xiàn)報道的一種三維氧化石墨烯，其含氧基團(tuán)的負(fù)電性能可對染料中的陽性離子進(jìn)行吸附，增強石墨烯對有機染料的吸附。石墨烯作為高性能載體與TiO2光催化劑復(fù)合能夠提高光催化性能，高效降解水中的有機物。

其次，油等有機溶劑也是水體污染和土壤污染的重要來源。石墨烯本身具有較強的親油性，加之其具有高吸附容量和高吸附效率的特點，有利于對廢水中的油類等有機溶劑進(jìn)行吸附。石墨烯氣凝膠、石墨烯海綿等都能增加吸附容量，提高吸附速度，可用于原油泄漏而造成水體污染的應(yīng)急處置。

最后，抗生素是一種潛在的環(huán)境危害物，它不僅會打破自然環(huán)境中微生物種群的平衡，也易導(dǎo)致人體產(chǎn)生耐藥性。當(dāng)前，吸附法、生物法以及高級氧化法是主要用來處理抗生素的方法。其中，生物法和高級氧化法兩者在應(yīng)用中都具有一定的缺陷，吸附法的副作用較小。通過對石墨烯改性，可提高石墨烯對抗生素的吸附速度和吸附能力，并且隨著溫度升高而增強，但是較高的離子濃度會影響其吸附能力的提升[4]。因此，在對抗生素進(jìn)行吸附處理時一定要選擇合適的溫度和濃度。

2.3 石墨烯在海水淡化工程中的應(yīng)用

在處理好水質(zhì)型缺水的同時，提高水資源的增量也是解決水資源短缺的一個重要手段，基于石墨烯絕佳的阻隔性能，可以通過對石墨烯的使用來有效提升對海水中鹽離子的阻隔，以此來達(dá)到海水淡化的目的。實驗證明，氧化石墨烯薄膜就可以實現(xiàn)這種功能[5]。通過對石墨烯膜層間距的有效控制，實現(xiàn)對純水和鹽性離子的精準(zhǔn)篩分，提高海水淡化效率，而且石墨烯脫鹽膜堅固耐用，成本較低。另外，獨立太陽能轉(zhuǎn)化器的研發(fā)可大大提高海水的淡化功能[6]，并且此項技術(shù)在不久的將來極有可能實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。此外，除了海水淡化，石墨烯材料還被用來凈化飲用水，減少凈水設(shè)備對濾芯的更換，節(jié)約凈水成本。

3 石墨烯在大氣污染治理中的應(yīng)用

空氣污染的科學(xué)有效治理需要相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新與新材料研發(fā)，石墨烯材料因其獨特優(yōu)勢，在空氣治理領(lǐng)域也有重要的作用。

3.1 石墨烯在大氣污染治理工程中的應(yīng)用

石墨烯作為一種特殊的活性炭材料，表面積較大，吸附性能絕佳，是治理空氣污染的首選材料?？諝馕廴局饕蚴欠蹓m和有害氣體。石墨烯優(yōu)異的吸附性能使其可以吸附空氣中的粉塵，降低空氣中顆粒物的濃度。同時，可以除掉以甲醛為代表的各種有害氣體[7]。利用石墨烯的抑菌性研制的石墨烯口罩，可以保護(hù)呼吸系統(tǒng)。改性石墨烯還可以轉(zhuǎn)化有害氣體，改善大氣環(huán)境。

3.2 石墨烯在氣體檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用

石墨烯材料除了可以應(yīng)用在空氣污染治理，因為其具有較高的環(huán)境敏感度，可以用于氣體檢測。目前，石墨烯基氣體傳感器已經(jīng)應(yīng)用到了實踐中，通過不斷的改良，相關(guān)設(shè)備可實現(xiàn)對氨氣、一氧化氮以及氫氣等多種氣體的痕量檢測[8]。

4 結(jié)束語

在環(huán)境污染大背景下，必須要加強對新型材料的研究和創(chuàng)新，推動環(huán)境的持續(xù)改善。石墨烯材料憑借其獨特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，將會在水污染治理、大氣治理等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。在未來實踐中，需要進(jìn)一步加強對石墨烯的研究和創(chuàng)新攻關(guān)，推動市場化應(yīng)用，為我國環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡忠良，李雪鋒，席柳江，等.石墨烯材料在水處理方面的研究進(jìn)展[J].功能材料，2016，47（S1）：1-6.

[2]Masukazu Hirata， et al. Thin-film particles of graphite oxide[J].Carbon，2004，42（14）.

[3]Nan Li， et al.Large scale synthesis of N-doped multi-layered graphene sheets by simple arc-discharge method[J].Carbon，2009，48（1）.

[4]孫慶玲.石墨烯納米復(fù)合材料制備方法的研究進(jìn)展[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，30（02）：94+99.

收稿日期：2020-04-07

項目資助：本文研究得到江蘇省質(zhì)監(jiān)局科技項目（KJ175935）、江蘇省特檢院科技項目（ KJY2017015， KJY2017017 ）共同資助。

作者簡介：程小豹（1989-），男，漢族，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向為石墨烯材料檢驗檢測。