石墨烯材料在水处理中的应用_传质机制与吸附特性_邓会.pdf

2015 年 第 60 卷 第 33 期：3196 ~ 3209 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 石墨烯材料在水处理中的应用: 传质机制与吸附特性 ①② ② ① ②* 邓会 , 孙鹏展 , 张迎九 , 朱宏伟 ① 郑州大学物理系, 郑州 450052; ② 清华大学材料学院, 新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084 * 联系人, E-mail: hongweizhu@ 2015-06-26 收稿, 2015-08-12 接受, 2015-09-17 网络版发表 摘要 石墨烯由于独特的单原子层二维结构和高比表面积等优异性能而被用作选择性分离膜和 关键词 吸附剂, 在水处理领域具有潜在的应用前景. 本文综述了石墨烯纳米多孔膜和层状堆叠的氧化 石墨烯 石墨烯渗透膜对气体、水及离子的传质行为. 纳米多孔膜因其制备技术和不成熟的打孔技术等 氧化石墨烯 原因而具有一定局限性; 而层状渗透膜由于制备方法简单、成本低、高通透性和高选择性等优 传质 吸附 点, 在水净化领域具有广阔的应用空间. 进一步综述了石墨烯吸附材料对水中重金属离子、染料 水处理 和有机污染物的吸附行为, 分析了石墨烯材料表面官能团与污染物的相互作用机理. 最后展望 了石墨烯材料在膜分离、海水淡化和污染物去除等环境应用中的机遇和挑战. 水资源短缺是当今全球面临的最大挑战之一 , 表面远高于碳纳米管 (carbon nanotubes, CNTs). 另 地球 70%被海水覆盖和严重的水污染 , 因此海水淡 外 , 同传统吸附剂相比, 石墨烯及其复合材料的多孔 化和污水处理日益引起人们的关注 . 纳米材料的快 结构使其具有更高的吸附速率 , 能够快速吸附各种 速发展对于传统膜材料具有重要的推动作用 . 例如 , 污染物, 如染料、重金属和有机物等, 是一种比较理 纳米材料提供的亚纳米级通道为水分子提供了高速 想的吸附材料[6]. 本文综述了石墨烯薄膜的传质现象 传输通道 , 且阻止大分子的通过 [1], 从而能够实现海 和石墨烯基纳米材料对污染物的吸附 , 展望了石墨 水的脱盐与淡化 . 烯材料在膜分离、脱盐、污染物去除等水处理领域的 石墨烯 (graphene)作为纳米材料之一 , 自被发现 潜在应用 . 以来, 由于其独特的单原子层二维结构和优异的性 能, 如高比表面积、优异的电学、热学、光学和力学 1 石墨烯薄膜的传质现象 等而受到广泛关注 [2,3]. 尤其在关于纳米通道或纳米 [4,5] 2 1.1 纳米孔石墨烯薄膜的传质现象 孔传质现象的研究中 , 石墨烯由于sp 杂化的碳原 子紧密排列成蜂巢状晶体结构而显示出特殊的传质 通过在单层石墨烯上引入纳米孔 , 可获得一种 特性 . 石墨烯薄膜基体上可引入纳米孔或人工设计 有效的分离膜 : 纳米孔石墨烯薄膜 (nanoporous gra- 堆积结构 , 进而作为一种高通透性的选择性渗透膜 . phene, NG). NG膜的化学、力学性能稳定, 具有超薄 近年来, 石墨烯薄膜在过滤、分离和海水淡化等领域 的厚度. 单层石墨烯对最小的He气分子也具有很好 展现出潜在的应用价值 .