淺談石墨烯膜在水處理中的運用

鐘曉麗

（浙江海拓環境技術有限公司 浙江杭州 310052）

引言

在國家經濟飛速發展的同時，水污染日漸突出，從而嚴重威脅到了國家的穩定發展和人民的身心健康。為此，國家高度關注對水污染問題的管理與控制。目前，水污染的處理常用物理法、化學法和生物法等方法，其中膜分離技術是一種高效分離技術，其適用范圍廣、操作方便、條件溫和、裝置簡單且分離系數大，因此可在水污染處理中發揮重要的作用。為此，本文介紹一種石墨烯膜處理工藝，其在水處理中的應用價值很高，備受行業的重視。

1 石墨烯膜

石墨烯是一種由碳原子以雜化軌道組成的原子尺寸蜂巢晶格結構，其平面結構獨特，且雖與活性炭皆為碳材料，但其吸附能力、比表面積都比活性炭高。石墨烯膜既有石墨烯的性質特點，又存在獨有的性能，如氣體無法從石墨烯膜中穿過、單層石墨烯膜（一個原子厚度）承受的壓力可到6個大氣壓。得益于石墨烯膜的以上優異性能，推動了二維石墨烯膜在水處理中的廣泛應用。目前，石墨烯膜的常用制備方法包括旋涂法、真空抽濾法和化學氣相沉積法等。其中，旋涂法是一種最為常用、效果最理想的石墨烯膜制備方法，其原理為：先按要求預處理基底表面，再在轉動中的且轉速一定的旋涂儀上附著上基底，并以一定速率在基底正中間滴上氧化石墨溶液，期間要求嚴控氧化石墨溶液的用量和濃度，以有效控制石墨烯的厚度；真空抽濾法的原理為：先抽取濃度一定的氧化石墨溶液，并倒入抽濾杯中，再快速抽濾去除溶劑，然后在濾膜上沉積得到石墨烯膜，最后用丙酮溶解濾膜襯底，從而實現石墨烯膜向玻璃等其他基底上轉移；化學氣相沉積法常用來規模化地制備石墨烯膜，其原理為：在溫度與壓力一定的條件下，氣態原料經化學反應生成固態物質，并在加熱后的固態基底表面沉積，從而提高了石墨烯膜的質量。

2 石墨烯膜在水處理中的應用

2.1 過濾

石墨烯膜的孔徑達到納米尺寸。研究預測，將石墨烯膜用作滲透性與選擇性高的過濾膜，其效率遠超任一高分子膜。石墨烯膜的分離通道由三部分構成，即：石墨烯膜上的孔道，其與半圓柱類似且由不規則褶皺結構形成；石墨烯膜的層間孔隙；石墨烯膜上的缺陷或制備的孔道。目前，針對石墨烯膜的研究課題很多，如Mi課題組制備的硅膠聯石墨烯膜可有效去除水中的有機物，且對葡萄糖的去除效率達84%及對蔗糖達90%。

2.2 吸附

石墨烯表面含氧基團的含量較高、比表面積較大，且理論研究發現，二維石墨烯的吸附能力很強，即其吸附作用包括功能基團、陰陽離子-π和π-π的相互作用。目前，許多研究人員致力于石墨烯吸附作用的研究，且研究發現石墨烯納米片在去除水中的重金屬離子上效果理想。例如，Zhao等人利用氧化石墨烯納米片（少數層）來對溶液中Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）進行去除試驗。試驗結果表明，吸附效果最易受到溶液pH值的影響、不易受到離子強度的影響；含氧官能團在吸附重金屬離子上的作用明顯，且當pH=6、溫度=303K時，石墨烯納米片對Co（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）的吸附量高達68.2mg/g和106.3mg/g。

2.3 光催化

關于光催化去除污染物，通過光催化反應得到的自由基可完全分解污染物，且具有安全、節能、綠色等特點。但在光催化反應中，表面反應、表面電荷空穴分離和光電吸收卻受制于半導體的影響，所以光催化去除污染物的效率較低。研究發現，石墨烯的電子遷移率較高，且比表面積較大，所以當其與半導體復合后，可使光催化的效率大幅提高，即：石墨烯平面π-π鍵可使有機物吸附量得以增加，并進一步提高污染物與自由基接觸的效率；石墨烯可使半導體吸附光的范圍發生改變，且石墨烯在與半導體復合后，其吸附范圍因紅移而使帶寬下降，繼而使得光吸收效率得以提高；石墨烯與半導體復合，既可使體系具備更高的電子轉移速率，又可促進電子-空穴對發生分離及使其復合速率下降，同時價帶上激發電子的充分利用可使光催化效率大大提高。

2.4 電容去離子

在電容去離子技術中，石墨烯的應用備受行業關注。其中，電容去離子技術的原理為：由一對多孔電極去除水中的帶電物質，且當1-2V外壓施加給電極后，將會在電極表面形成雙電層結構，由此對相反的電荷離子進行吸附去除。電容去離子技術因需在電極表面上吸附待去除的離子，則要求電極選材的比表面積較大、多孔結構相互連通、化學穩定性良好和電子遷移速度快等，如選用碳納米管、碳凝膠和活性炭等材料。其中，活性炭因具有微孔結構而使離子的進入、擴散活動受限，所以其吸附效果略差。

結語

綜合前文，石墨烯的化學結構獨特，所以其物理、化學性質優異，同時二維石墨烯膜的硬度高及其采用了單原子層結構，繼而實現了其在多領域的應用，如可在選擇分子時應用多孔結構、在水處理中利用滲透作用。總之，石墨烯膜處理工藝在水處理中的應用極具現實價值，值得高度重視。