石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子研究的自然辩证法评述

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　　摘    要：随着经济的高速发展，工业生产中的废水不加处理或处理不当排放到水体中导致水体中重金属离子含量偏高的现象屡有发生。因重金属离子毒性极高，不能生物降解且容易在动植物体内积累，从而会导致严重危害。因此，研究一种高效吸附污水中重金属离子的吸附剂意义重大。水热自组装和热退火工艺制备的具有三维网状多孔结构的石墨烯气凝胶具有高孔隙率，对重金属离子有良好的吸附能力，是去除污水中重金属离子的理想材料。本文运用自然辩证法的指导方法和理论，对石墨烯气凝胶的研发与应用进行了评述，分析不同吸附材料的性能及发展前景，以期更加快速有效地进行科学研究。
　　关键词：石墨烯气凝胶;污水;重金属离子;自然辩证法
　　中图分类号：X703            文献标识码：A         DOI 编码：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《自然辩证法》是马克思主义的经典著作之一，其中既运用辩证法对整个自然进行诠释，同时也确立了整个自然规律的合法辩证性。通过反思“自然科学”的理论思维，从而确证辩证法的思维方式[1]。恩格斯的辩证唯物主义自然观可以概括为对于自然界不同层次物质运动的整体联系、演变、转化和发展关系[2]，在从事科学研究时运用辩证的思维方法，能在很多方面预测事物科学发展的主要方向。《自然辩证法》的研究领域包括天然自然、社会自然、科学技术哲学、思想史、社会、政治、经济和文化等诸多方面，也成为当今环境科学领域的重要思想资源[3]。
　　随着经济的高速发展，大量含有重金属离子的工业污水排放量增加。重金属离子具有毒性大、难以生物降解且易在生物体内积累等特点，如果不能妥善处理，将对环境造成极大危害。石墨烯气凝胶具有高孔隙率、高比表面积、表面改性方法多样化、环境相容性好等特点，作为一种吸附性能优异的吸附剂得到了广泛研究。
　　1 石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子的作用机制及其辩证法思想的应用
　　辩证唯物主义认为，现实生活中的事物往往是由多种矛盾共同作用的[4]。矛盾存在于一切事物的发展过程中，并贯穿于一切事物发展过程的始终[5]。矛盾有主要矛盾和次要矛盾，在事物發展过程中处于主导地位，对事物的发展起决定性作用的矛盾是主要矛盾;在事物的发展过程中属从属地位，对事物的发展不起决定性作用的矛盾为次要矛盾[6]。
　　在石墨烯气凝胶吸附污水中的重金属离子这一复杂问题的解决上，要善于抓住主要矛盾，即石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子的作用机制，这一作用机制为石墨烯气凝胶独特的三维网状多孔结构[7-8]有利于重金属离子在气凝胶内部的快速扩散，暴露的活性中心将增加重金属离子与气凝胶内部结构充分接触的机会。同时，还要兼顾吸附材料的可回收性、实用性等次要矛盾。石墨烯气凝胶良好的成形性以及对其的磁性功能化修饰不仅能最大限度的减少石墨烯纳米片对环境造成的二次污染，也能使其在吸附污水后更方便的进行磁性回收。
　　此外，所有事物都是由各个部分构成的有机整体，整体和部分既相互区别又相互联系，二者不可分割，相互影响，是对立统一的关系[9]。因此，在治理受重金属污染的污水时要处理好整体与部分的关系，从整体着眼，并搞好部分，使整体功能得到最大限度的发挥。在用石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子时，应牢牢把握这个思想，在治理好污水中重金属污染的整体前提下，也要考虑到石墨烯气凝胶材料对水质的改变、是否会构成二次污染等部分问题。 　　2 石墨烯气凝胶的制备及重金属离子吸附试验的设计
　　2.1 氧化石墨烯气凝胶（Graphene oxide aerogel， GOA）和石墨烯气凝胶（Graphene aerogel，GA）的制备
　　首先，以天然石墨为原料，采用Hummers法[10]制备得到氧化石墨，超声将其分散在去离子水中，得到5 mg·mL-1氧化石墨烯（GO）分散液，然后将GO分散液在180 ℃水热釜中水热反应12 h，得到的GO水凝胶在纯丙酮中进行溶剂交换，再用超临界CO2干燥得到氧化石墨烯气凝胶（GOA）。在N2环境中，以5 ℃·min-1速度加热到900 ℃并保持3 h，得到石墨烯气凝胶（GA）。
　　2.2 氮掺杂氧化石墨烯气凝胶（Nitrogen-doped graphene oxide aerogel， NGOA）和氮掺杂石墨烯气凝胶（Nitrogen-doped graphene aerogel， NGA）的制备
　　首先，按上述步骤制备相同的GO分散液，然后在60 ℃温度环境下搅拌，将三聚氰胺水溶液慢慢加入GO分散液中。然后，将混合物转移到水热釜中，180 ℃加热12 h后获得水凝胶，用纯丙酮溶液进行溶剂交换，再通过超临界CO2干燥得到氮掺杂氧化石墨烯气凝胶（NGOA）。将NGOA在N2环境中，以5 ℃·min-1加热到900 ℃并保持3 h，得到氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）。
　　2.3 重金属离子吸附试验设计
　　在25 ℃温度条件下，用45 mg石墨烯气凝胶在50 mL重金属离子溶液（初始浓度为60 mg·mL-1）中进行典型吸附试验，在不同时间间隔提取上清液，测定重金属离子浓度，计算出吸附量N（mg·g-1），方程如下：
　　3 试验结果概述及其自然辩证法分析
　　3.1 试验结果概述
　　GOA和GA的三维网状多孔结构均由随机交联的石墨烯纳米片组成，内部孔隙丰富。由于具有丰富的孔隙结构，GOA和GA都可以作为去除重金属离子的有效吸附劑。以Cd2+为例，Cd2+被认为是水资源中一种毒性很大的污染物[11]，利用GOA和GA分别吸附Cd2+。GOA对于Cd2+的吸附量随吸附时间的增加而增加，而GA对于Cd2+的吸附量随吸附时间的增加而减小，这是由于热退火过程中，GA结构中石墨烯纳米片上含氧基团的去除导致相应离子吸附位点的减少。
　　与此同时，研究发现石墨烯纳米片间的无效堆叠会降低气凝胶的孔隙率，增加石墨烯基气凝胶的密度，进而使其对重金属离子吸附性能难以进一步提高。三聚氰胺分子中含有3个氨基，是一种廉价、无毒的化学试剂。三聚氰胺分子中的氨基与GO纳米片上的含氧基团之间形成氢键[12]，可以防止GO纳米片自堆积，使GO纳米片充分组装成多孔结构。因此，本研究结合GO和三聚氰胺制备了NGOA，在N2环境下热裂解后得到NGA。NGOA和NGA也都是由随机交联的石墨烯纳米片组成，具有相似的三维网状多孔结构。另外，氮掺杂石墨烯气凝胶比纯石墨烯气凝胶具有更大的孔洞，这是由于三聚氰胺在三维网状多孔结构中具有膨大作用，可以有效防止GO纳米片自堆积。试验表明，氮掺杂石墨烯气凝胶比纯石墨烯气凝胶表现出更高的吸附能力，这是因为氮掺杂石墨烯气凝胶具有更大的体积和更明显的多孔结构，为Cd2+的有效吸附提供了更多的活性位点，有助于Cd2+向气凝胶内部的吸附中心扩散。研究表明，该石墨烯基吸附剂在去除污水中重金属离子方面具有广阔的应用前景。
　　3.2 试验结果中矛盾的辩证关系
　　辩证唯物主义认为，矛盾有普遍性与特殊性。矛盾的普遍性即事物的共性;矛盾的特殊性即事物的个性[13]。对于不同吸附材料（GOA、GA、NGOA、NGA）的指标，如吸附性、安全性、经济性等，不可能要求某一种吸附材料的所有指标都处于最佳，而只能要求一种整体上的最佳效果，这可以看作是矛盾的共性。同一种吸附材料在吸附重金属离子时，以上指标能达到一种总体上的平衡，这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、比表面积、表面润湿性及溶液的pH值等条件制约，作为研究人员要尽力将矛盾的思想贯彻在改良吸附材料的研究中去，为研发出更多的新型吸附材料创造可能性。
　　3.3 试验结果中内因与外因的辩证关系
　　辩证唯物主义认为，内因是事物发展的根本原因，外因是事物发展的外部条件[14]。将石墨烯吸附材料投放到含有重金属离子的污水中，它能改变重金属离子在污水中的存在状态，降低其活动性。对重金属离子进行吸附、使重金属离子附着在吸附材料上是内因，它的可操作性、对环境的安全性等是外因。吸附材料的研发，必须将内因和外因的辩证观点结合起来。
　　4 结 论
　　自然辩证法是马克思主义哲学理论体系的重要组成部分，是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识自然和改造自然的方法和理论。在本研究利用石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子的工作中，充分利用了自然辩证法的指导方法和理论，分析了吸附材料的性能及发展前景。进一步在石墨烯气凝胶的制备及对重金属离子的吸附试验中，有效运用自然辩证法的指导方法和理论分析了试验结果及其辩证关系，证明了采用水热法制备的石墨烯气凝胶具有三维结构，吸附性能良好，对重金属离子有较强的吸附能力，同时附加的磁性便于使用后回收再利用，从而为科学研究提供了理论支持和思想指导，能够更加快速有效地进行科学研究，充分展示了石墨烯气凝胶在去除污水中重金属离子方面具有的广阔应用前景。
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