石墨烯和二硫化鉬在治理水污染方面研究進程

張海洋

（廣西大學 廣西 南寧 530004）

1 引言

水是人類生存和社會發展的重要自然資源。隨著社會的發展和工業的迅猛發展，水污染已成為嚴重威脅人類社會生態環境的全球性問題。自21世紀以來，納米技術的興起為水處理技術的發展創造了新的機遇。聯合國《2018年聯合國世界水發展報告》指出，全球對清潔水的需求以每年1%的速度增長，并將在20年內迅速增長，因此需要開發新技術和新資源。近年來，納米材料和技術的飛速發展為水處理技術和資源的開發開辟了新的發展機遇。本文主要介紹石墨烯和二硫化鉬納米片在水處理技術中的最新應用研究。

2 二硫化鉬在水處理中的應用

二硫化鉬主要具有以下三個結構（圖1）：八面體1T相，三角棱柱2H相，三角棱柱3R相，1T相和3R相是亞穩定的并且具有金屬性質。如圖1所示，2H相具有穩定的結構及顯示半導體的特性。類似于石墨烯，二維層狀二硫化鉬具有特殊的外觀是其剝落為多層或單層納米片時。

圖1 二硫化鉬結構示意圖

Ball P等[1]報道他們使用真空過濾形成二硫化鉬膜，伊文思藍的去除率為89%，水流量為245L/m2·h·bar，比GO層狀膜高3～5倍。Wu R C[2]等使用壓力輔助過濾來創建分層的二硫化鉬薄膜在水中穩定的原因（即二硫化鉬納米片之間的范德華力）是它們自身的靜電排斥力。GO膜傾向于在水中膨脹，并需要其他化學物質來提供恒定的力來保持穩定性。這也是二硫化鉬膜比GO膜非常重要的特征。同時，Borah L[3]等進行了有關納米過濾條件下二硫化鉬薄膜中離子和染料保留的研究。結果表明，完全干燥后制得的二硫化鉬層壓膜是不滲透的，距離為0.62nm，接近水分子水平上的最小孔徑。然而，當二硫化鉬膜完全濕潤時，各層之間的距離為1.2nm，并且某些離子和染料仍然保留。Li Z L[4]通過調節真空過濾壓力和過濾速率來松散地形成二硫化鉬膜。該膜顯示出混亂且不規則的層結構。納米顆粒邊緣的狹窄通道只有約1.8nm，而堆積的納米顆粒之間的通道只有約8.9nm，這種結構的二硫化鉬膜顯示出滲透性。較高的水（1430L/m2·h·bar）和有機溶劑的滲透性。對于數量（5000L/m2·h·bar）和尺寸大于1.9nm的染料，去除率超過90%。可以看出，在通過壓力過濾生產多層二硫化鉬薄膜中，外部壓力會影響褶皺尺寸，疊層以及納米二硫化鉬層之間的間距，如圖2所示。

3 石墨烯在水處理中的應用

二維納米材料石墨烯具有由sp2混合碳原子構成的蜂窩結構的單聲層。前人研究了聚醚砜（PES）和GO薄膜的輸水機理，由于膜中的高毛細管壓力，與壓力控制的滲透率相比，GO膜可以通過增加滲透過程中的有效面積來改善在滲透率表面的擴散。用簡單的浸涂和原位化學還原方法，發現IRGOPU海綿可快速有效地用于油和水的分離。高達99.6%的油水分離效率使其成為發生大量漏油的最佳油水分離材料。Geim A K[5]等首先獲得GO納米線和羥基銅。然后，通過真空過濾器組裝工藝來生產CHNs-GO納米復合膜。該膜具有優異的穩定性和吸水性，高分離效率和優異的防霉性能。油水乳狀液的分離效率可達到99%以上，在油水分離中應用廣泛。還原石墨烯氧化物（rGO），Chong J Y[6]用于生產比表面積高達652m2/g的多孔石墨烯（PG）。這消除了對額外催化劑和模具的需求。PG易于使用，便宜且易于大量生產，PG具有疏水性，與油有關，并具有出色的選擇性。

圖2 從離子和有機染料中分離二硫化鉬膜的效率和機理

用分子模擬（分子動力學）研究Na+和Cl-的傳輸行為-表明使用多孔石墨烯膜可以有效過濾海水。帶負電荷的陰離子石墨烯可防止Cl-通過，并有助于Na+的傳輸。離子選擇的機制高度依賴于陽離子和陰離子濃度的差異。出色的實驗數據表明，基于石墨烯薄膜的MD膜在悉尼港的海水處理中顯著優于傳統的商用MD膜。使用乙二胺（EDA）作為添加試劑，乙二胺（EDA）是經過地熱處理和冷凍干燥后生產的彈性石墨烯（GA）氣凝膠，GA已顯示具有出色的油和水選擇性，超高吸收（高達2.5×104mg/g）和出色的可回收性。另外，動力學和熱力學研究表明乳液中油對GA的重吸收過程是物理上自發的過程。研究表明，許多RGO/PC材料可以快速有效地吸收各種油和有機溶劑，例如油泵油，大豆苯，環己烷，四氯化碳（CCl4）和乙酸乙酯。如圖3所示，批量生產的RGO/PC可以在內部快速，完全吸收環己烷和CCl4，結果非常清晰。這使我們看到大部分RGO/PC固體在水污染和油水分離方面具有廣闊的前景。

圖3 水中紅色油染成的環己烷（a1-a3）和CCl4（b1-b3）的分離結果

4 總結

近年來，石墨烯和二硫化鉬等新型2D納米材料由于其獨特的物理和化學性質引起了許多領域科學家的關注。研究發現，這些二維納米材料和復合材料能夠從水中完全去除有機污染物、離子、重金屬，染料和其他污染物將其削弱。目前用于石墨烯和二硫化鉬納米顆粒的二維納米材料制造技術存在產量低、質量低等問題，嚴重阻礙了進一步的應用研究。二維納米材料的大規模、高質量和高效率工藝的發展降低了使用水處理技術的成本，但這也會加快水處理技術的成本。正確混合合適的2D復合材料和有效的水處理是進一步研究的熱點。