基于石墨烯在环保领域应用的探讨

来源:用户上传      作者:程小豹 刘峥 杨永强 赵卫芳 王勤生

　　摘要：生态环境是经济发展的基础，污染对生态环境的破坏严重制约我国经济的发展，迫使我们加强科技手段创新。石墨烯因其独特的结构和性能可以有效吸附水和大气中的有害物质，为环境保护提供新的选择。本文重点对石墨烯在水处理和大气保护中的应用进行分析，希望能够发挥石墨烯在环保方面的性能优势，为我国生态文明建设作出贡献。
　　关键词：环境保护;石墨烯;水处理;大气保护
　　中图分类号：X703.5 文献标识码：A 文章编号：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
　　环境破坏与污染等问题突出体现在水和大气污染方面，我国科研工作者在水污染防治和大气污染防治中做了大量工作，尤其在新材料的应用上做了很多有益的探索，其中石墨烯以其独特的优势在环境保护领域得到大量应用。研究分析石墨烯在环保领域中的创新应用具有科学意义和重要的现实意义[1]。
　　1 石墨烯的制备
　　受益于制备技术的发展，石墨烯的制备工艺得到优化，制备成本不断的下降，为其工业化生产以及普及提供了条件。现阶段，不同的方法制备的石墨烯也存在一定的差异。目前应用较多的当属以下几种。
　　1.1 微机械剥离法
　　利用此种方法可以获得单层结构完整的石墨烯，但难以实现对尺寸的准确控制，在工业化生产上存在着较大难题。
　　1.2 外延生长法
　　用这种方法获取的石墨烯品质较好，但目前尚未产业化。该法制备过程较为复杂，首先需要利用氧气或氢气对单晶6H-SiC进行刻蚀，然后利用电子轰击加热去除结构中氧化物，最后冷却得到石墨烯。
　　1.3 化学气相沉积法
　　该方法借鉴部分無机材料制备工艺，可以实现对石墨烯气相沉积过程的精准控制，并且生产出来的石墨烯具有面积大、品质好的特点，但该方法能耗较高。该方法生产出来的石墨烯在信息技术产业有一定的应用。
　　1.4 氧化还原法
　　该方法是比较常用的方法，用这种方法制备石墨原料成本低、操作简便、质量稳定，适用于规模化生产。但该方法在生产过程中易产生环境污染，生产的石墨烯在结构和电学性能方面存在一定的缺陷，制约其在相关领域的应用[2]。
　　1.5 其他制备方法
　　受传统制备方法的启发，或者是采用新技术，越来越多的石墨烯制备方法面世。Nethravathi等人采用溶剂换元法得到高品质的石墨烯，该方法工艺流程易操作，所用原料经济易得，且不易造成环境污染，是较理想的制备方式。Li[3]等将纯石墨烯棒放置在NH3氛围下，利用直流电，制备出了N掺杂的石墨烯。
　　2 水处理中对石墨烯的应用研究
　　水资源的短缺严重制约了我国经济社会的发展，石墨烯材料凭借其在吸附性能方面所表现出来的优异性，在水污染治理领域得到了人们的青睐。
　　2.1 石墨烯处理废水中重金属元素的应用
　　重金属离子是废水处理和循环使用的难点，石墨烯材料极大的比表面积，可以增加其与水的接触面积，可以吸附废水中的重金属离子。对石墨烯进行修饰与改性可以提高亲水性，实现对重金属离子的配络反应，提升吸附效率。酸碱度会影响石墨烯对金属离子的吸附能力，pH值的升高会增强对Pb2+和Cd 2+的吸附性能，且优于其他传统吸附材料。 　　2.2 石墨烯处理废水中有机物的应用
　　水中过多有机物的存在会降低水的含氧量，导致水质的变差和水污染。石墨烯可以实现对有机染料、抗生素以及油等有机物的吸附。
　　首先，纺织业是水中有机物污染物最重要的来源，染整等工艺会产生大量富含有机染料的废水，其滥排对水体和人体会造成严重危害。文献报道的一种三维氧化石墨烯，其含氧基团的负电性能可对染料中的阳性离子进行吸附，增强石墨烯对有机染料的吸附。石墨烯作为高性能载体与TiO2光催化剂复合能够提高光催化性能，高效降解水中的有机物。
　　其次，油等有机溶剂也是水体污染和土壤污染的重要来源。石墨烯本身具有较强的亲油性，加之其具有高吸附容量和高吸附效率的特点，有利于对废水中的油类等有机溶剂进行吸附。石墨烯气凝胶、石墨烯海绵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体污染的应急处置。
　　最后，抗生素是一种潜在的环境危害物，它不仅会打破自然环境中微生物种群的平衡，也易导致人体产生耐药性。当前，吸附法、生物法以及高级氧化法是主要用来处理抗生素的方法。其中，生物法和高级氧化法两者在应用中都具有一定的缺陷，吸附法的副作用较小。通过对石墨烯改性，可提高石墨烯对抗生素的吸附速度和吸附能力，并且随着温度升高而增强，但是较高的离子浓度会影响其吸附能力的提升[4]。因此，在对抗生素进行吸附处理时一定要选择合适的温度和浓度。
　　2.3 石墨烯在海水淡化工程中的应用
　　在处理好水质型缺水的同时，提高水资源的增量也是解决水资源短缺的一个重要手段，基于石墨烯绝佳的阻隔性能，可以通过对石墨烯的使用来有效提升对海水中盐离子的阻隔，以此来达到海水淡化的目的。实验证明，氧化石墨烯薄膜就可以实现这种功能[5]。通过对石墨烯膜层间距的有效控制，实现对纯水和盐性离子的精准筛分，提高海水淡化效率，而且石墨烯脱盐膜坚固耐用，成本较低。另外，独立太阳能转化器的研发可大大提高海水的淡化功能[6]，并且此项技术在不久的将来极有可能实现工业化应用。此外，除了海水淡化，石墨烯材料还被用来净化饮用水，减少净水设备对滤芯的更换，节约净水成本。
　　3 石墨烯在大气污染治理中的应用
　　空气污染的科学有效治理需要相关的技术创新与新材料研发，石墨烯材料因其独特优势，在空气治理领域也有重要的作用。
　　3.1 石墨烯在大气污染治理工程中的应用
　　石墨烯作为一种特殊的活性炭材料，表面积较大，吸附性能绝佳，是治理空气污染的首选材料。空气污染主要原因是粉尘和有害气体。石墨烯优异的吸附性能使其可以吸附空气中的粉尘，降低空气中颗粒物的浓度。同时，可以除掉以甲醛为代表的各种有害气体[7]。利用石墨烯的抑菌性研制的石墨烯口罩，可以保护呼吸系统。改性石墨烯还可以转化有害气体，改善大气环境。
　　3.2 石墨烯在气体检测领域中的应用
　　石墨烯材料除了可以应用在空气污染治理，因为其具有较高的环境敏感度，可以用于气体检测。目前，石墨烯基气体传感器已经应用到了实践中，通过不断的改良，相关设备可实现对氨气、一氧化氮以及氢气等多种气体的痕量检测[8]。
　　4 结束语
　　在环境污染大背景下，必须要加强对新型材料的研究和创新，推动环境的持续改善。石墨烯材料凭借其独特的结构和性能优势，将会在水污染治理、大气治理等领域得到越来越多的应用。在未来实践中，需要进一步加强对石墨烯的研究和创新攻关，推动市场化应用，为我国环保事业做出贡献。
　　参考文献
　　[1]胡忠良，李雪鋒，席柳江，等.石墨烯材料在水处理方面的研究进展[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]孙庆玲.石墨烯纳米复合材料制备方法的研究进展[J].环境与发展，2018，30（02）：94+99.
　　收稿日期：2020-04-07
　　项目资助：本文研究得到江苏省质监局科技项目（KJ175935）、江苏省特检院科技项目（ KJY2017015， KJY2017017 ）共同资助。
　　作者简介：程小豹（1989-），男，汉族，本科学历，助理工程师，研究方向为石墨烯材料检验检测。
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