環境友好型材料 ——膨脹石墨的制備方法及應用現狀

張俊紅

(山西省交通職業技術學院，山西 太原，030031)

環境友好型材料
——膨脹石墨的制備方法及應用現狀

張俊紅

(山西省交通職業技術學院，山西 太原，030031)

本文綜述了膨脹石墨作為一種環境友好型材料的制備方法以及在環境工程中處理油污廢水與廢氣的應用現狀，并指出了膨脹石墨在環境治理應用方面存在的問題和發展方向。

環境友好型材料；膨脹石墨；制備方法；應用現狀

膨脹石墨又稱為柔性石墨，是由天然鱗片石墨經化學或電化學插層處理、水洗、干燥、高溫膨化制得的。膨化之后的石墨呈蠕蟲狀，又稱膨脹石墨蠕蟲。由于天然鱗片石墨沿微晶c軸方向膨脹數十倍到數百倍，從而在膨脹石墨蠕蟲表面和內部形成許多微小的孔，比表面積大為增加，因此是一種很好的吸附材料。由于膨脹石墨吸附材料有發達的網絡狀孔形結構，有高的比表面積，高的表面活性和非極性，同時孔系結構中主要以中大孔為主，因此對各種非極性有機分子具有良好的吸附性能[1]。另外，由于膨脹石墨表面有微量的極性基團并且石墨微晶c軸方向與a袖方向吸附具有各向異性，在一定的條件下對極性分子也會有一定量的吸附。膨脹石墨還具有低密度、質輕的特點，并且耐氧化，耐腐蝕，具有高的化學穩定性；還可以耐高溫、低溫，無毒，不會造成環境污染。因此，膨脹石墨作為一種優良的環保材料，在廢水、廢氣的治理領域中得到了廣泛的應用與研究[1,2]。

1 制備方法

目前，對于膨脹石墨的準備方法主要有[1,3,4]：化學氧化法、電解氧化法、超聲氧化法、氣相擴散法等。

1.1 化學氧化法

化學氧化法主要是通過利用石墨與強氧化劑反應，使得一些無機或有機的小分子插層劑插入到石墨的層間，制得石墨的層間化合物，以及通過進一步的膨化處理制得膨脹石墨材料。制備用的原料系含碳量為99%以上32～80目的天然高碳鱗片狀石墨，常見得氧化劑為濃硫酸、過氧化氫、濃硝酸、氯酸鉀、高錳酸鉀、重鉻酸鉀、過二硫酸銨等，插層劑一般為硝酸、甲酸、乙酸、金屬鹵化物、金屬氧化物等。制備的一般步驟為：在適當溫度下，將不同配比的天然鱗片石墨與氧化劑與插層劑以一定的比例，在不斷攪拌下反應一定時間，然后水洗至中性，脫水干燥，制得可膨脹石墨材料，再經過高溫膨化反應后，制得膨脹石墨材料。

該方法用的最早，且時間最長，但這種方法存在三廢處理的問題。此外，在高溫膨化階段，產生的廢氣含酸濃度過高，對人體危害較嚴重。

1.2 電解氧化法

電解氧化法主要是將石墨粉和插層劑溶液放入電解槽內，石墨粉可以是陽極的組成部分，也可以是電解液中的懸浮質。電解液是稀釋的酸液(插層劑)，濃度很低。帶負電的酸根離子在外電場的作用下，向石墨(陽極)周圍集中，則在石墨層的內外形成了濃度差。酸根離子在濃度差和外電場兩者的共同作用下，向石墨層的間隙侵入，生成層間化合物。一般采用的酸液(插層劑)為硫酸、硝酸、重氯酸等。

電解氧化法反應效果好，電解裝置結果簡單，生產過程可以連續進行，反應速度快，生產效率高，適合大規模的生產，但設備必須由耐酸腐蝕材料制造。

1.3 超聲氧化法

在電解法制備膨脹石墨的過程中，對陽極氧化的電解液進行超聲波振動、超聲波振動的時間與陽極氧化的時間相同，超聲波功率電流小于500mA。由于超聲波對電解液的振動有利于陰陽極的極化作用，從而加快了陽極氧化的速度，縮短了氧化時間，提高了生產效率，并節約了能源。

1.4 氣相擴散法

將石墨和插層物分別置于一真空密封管的兩端，在插層物端加熱，利用兩端的溫差形成必要反應壓差，使得插層物以小分子的狀態進入鱗片石墨層間，從而制得膨脹石墨。此種方法生產的膨脹石墨的階層數可控制，但其生產成本高。

2 在環境工程中的應用現狀

由天然鱗片石墨經插層、水澆、干燥、高溫膨化得到的膨脹石墨是一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。它既保留了天然石墨的耐熱性、耐腐蝕性、耐輻射性、無毒害等優良性質，又具有天然石墨所沒有的吸附性、環境協調性、生物相容性等特性，不造成二次污染，作為環境友好型材料的研究雖然是近年來才陸續開展的，但已經展示了誘人的前景[5]。

膨脹石墨在膨化過程中形成了獨特的網狀體系，比表面積較大，具有極強的吸附能力，可用作環境修復材料治理大氣污染和修復水體環境。目前，膨脹石墨在環境中的應用和研究也主要集中在這兩個領域。

2.1 在油污廢水處理中的應用

當今社會，石油泄漏與機動車尾氣、燃煤廢氣、工業及生活污水、吸煙、垃圾和農藥污染被列為21世紀全球環境污染的七大“元兇”[6]。石油泄漏主要對海洋造成污染大量石油烴類的有機物涌人海洋，消耗溶解氧，造成海水嚴重缺氧和毒化。對海洋生物資源形成區域毀滅性的危害。石油化工行業污染物排放量也很大。據調查，中國2008年各石油企業工業廢水排放總量為86 006.7萬t，采油(氣)廢水外誹的達標率不足50%；煉化廢水排放量為67 611萬t，鉆井廢水排放量136.4萬t，鉆井廢水的處理回用率為39.0%，外排達標率僅為14.5%。石油廢水在陸地上排放污染土壤，被石油污染的土壤又成為新的污染源，通過徑流、侵蝕污染天然地表水和地下水[7]。大量石油烴類有機物的無限制排放，嚴重危害人類生存環境。如何有效地控制和治理石油工業的污染物，是我們面臨的迫切任務。

天然石墨制成膨脹石墨以后，它的碳層片像于風琴似地位開，產生廠大量的孔隙。其最大優點是密度很低，約為水的1/50，可使其完全漂浮在水面。隨著熱處理溫度提高、它的比表面積增加、密度降低使得這種膨脹石墨對浮油有良好的吸附性能。研究表明，膨脹石墨在很短時間內完全吸附水面浮油。不但其表面能吸附石油，且因其內部孔隙非常發達，有很大的吸附空間，能大幅度提高其吸附原油的能力。利用膨脹石墨治理油污染除了有優異的吸附功能外，還有兩個優點：①可以通過壓縮回收原油；②可以通過回復操作，回收石墨，使石墨能重復使用。

膨脹石墨不僅對于原油有很強的吸附能力，大量的研究表明，膨狀石墨對于下列物質都有較強的吸附作用，如機械油；涂料；稀釋劑；食用油；三氯乙烷、三氯乙烯、全氯乙烯、四氯化碳等有機鹵化物；有機磷化物；有機水銀化合物；酒精、酮、乙醒、酯、有機酸、芳香族化合物等有機化合物；硫酸、硝酸、鹽酸、磷酸、氛酸、氨水等無機化合物。溴，硫，磷等單質；重鉻酸鉀、高錳酸鉀等無機鹽類；水溶液中銅、鋅、鐵、鉛、汞、鉆等有害金屬離子；氟、砷、氰等有害無機離子；苯酚化合物等[8]。

因此可以說，膨脹石墨是一種高效的油類污染物的吸附劑以及污水處理凈化劑。

2.2 在廢氣處理中的應用

工業廢氣及汽車尾氣對大氣污染的主要成分為燃燒所放出的SOx和NOx，而膨脹石墨對其有著較好的吸附脫除效果。國外曾有資料介紹這方面的數據，見下表[9]。

膨脹石墨對氣相物質的吸附結果*

由上表可以看出，膨脹石墨對較低濃度的NOx和SOx吸附脫除效果良好，同時吸附劑的再生處理非常簡單，經水洗、干燥后可重復使用，因此經濟性好。另有資料還介紹了膨脹石墨對苯、甲苯及許多有機蒸汽也有著良好的吸附效果。所以，膨脹石墨作吸附劑對治理大氣污染有很重要的意義。

3 結語

膨脹石墨作為一種新型的環境材料已經越來越受到人們的重視，我國對于膨脹石墨在環境方面的研究與應用相對于國外來說起步晚，研究深度不夠，產品檔次不高，很多的研究仍然處于實驗室階段。開發出性能更高、效果更好的膨脹石墨材料，并大規模的應用于工業生產中，不僅有利于環境領域，同時也能促進材料領域、化學領域、礦物領域的交叉和綜合發展，從長遠來看具有巨大的經濟效益和社會效益。

[1]榮葵一,等.非金屬礦物與巖石材料工藝學[M].武漢:武漢工業大學出版社,1996,6.

[2]古階祥.非金屬礦物原料特性與應用[M].武漢:武漢工業大學出版社,1993,3.

[3]袁繼祖.可膨脹石墨及其制品[J].礦產保護與利用,1993,(6):24-30.

[4]劉國欽,等.膨脹石墨及其制備技術[J].攀枝花大學學報,1995,(3):39-46.

[5]夏陽華.環境材料的研究及進展[J].材料導報,2002,(8):33-36.

[6]馬曉麗.全球環境污染“元兇”排行榜[N].中國醫藥報,2000-11-19.

[7]傳秀云.碳材料在環境工學方面的應用[J].巖石礦物學,2001,(11):507-510.

[8]曹乃珍,等.膨脹石墨吸附材料在環境保護中的應用[J].環境工程,1996,(6):27-30.

[9]曹乃珍,等.膨脹石墨的吸附作用[J].新型碳材料,1994,(4):51-53.

Preparation Methods and Current Situation of Expandable Graphite Used as Environment-friendly Materials

Zhang Junhong
(Shanxi Vocational and Technical College of Communications, Taiyuan 030031, China)

In this paper, some preparation methods of expandable graphite and current situation used as environment-friendly materials in treatment of oil-contaminate waste water and waste gas are introducd. Meanwhile, some problem and developmental direction of expandable graphite applied in environment engineering are pointed out.

environment-friendly materials; expandable graphite; preparation methods; apply current situation

P619.252;TD985

A

1007-9386(2010)01-0015-02

2009-11-30