Anwendung von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen bei der Wasseraufbereitung

Graphen (GE) ist ein periodisches zweidimensionales kohlenstoffhaltiges Wabenmaterial, das durch hexagonale Anordnung von sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen gebildet wird. Es hat eine große spezifische Oberfläche, eine hohe Elektronenmobilität und eine starke chemische Stabilität. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Forschungsfortschritt von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen in Wasseraufbereitungsadsorbentien und Photokatalysatoren in den letzten Jahren. Graphen und seine Verbundwerkstoffe haben eine gute Adsorptionswirkung auf Schwermetalle, organische Schadstoffe und andere Schadstoffe sowie eine hohe Adsorptionskapazität. Nach der Kombination mit photokatalytischen Materialien verbessert Graphen die photokatalytischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften wirksam. Schließlich wurde die Anwendung verschiedener Graphen- und Verbundwerkstoffe bei der Wasseraufbereitung bewertet und ihre Anwendungsaussichten bei der Wasseraufbereitung untersucht.

Einführung

Graphen (GE) ist ein periodisches zweidimensionales kohlenstoffhaltiges neues Wabenmaterial, das durch hexagonale Anordnung von sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen gebildet wird. Im Jahr 2004 erhielten Geim und Novoselov vom Institut für Physik und Astronomie der Universität Manchester im Vereinigten Königreich erstmals Graphen, indem sie Graphitkristalle mit Klebeband abstreiften, und gewannen damit den Nobelpreis für Physik 2010. Graphen hat einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und ist eines der robustesten Materialien der Welt. Es hat eine theoretische spezifische Oberfläche von bis zu 2.630 m ² / g, einem guten Wärmeleitfähigkeit und hohe Geschwindigkeit electron mobility (200,000 cm ² / (V · s)). Es kann als Elektrodenmaterial, Sensoren und Wasserstoffspeichermaterial verwendet werden. Gleichzeitig ist der zur Herstellung von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen verwendete Graphit weit verbreitet. Graphen und seine Verbundwerkstoffe sind billiger als Kohlenstoffnanoröhren, und der Herstellungsprozess ist einfach. Viele Wissenschaftler haben begonnen, Graphen und seine Verbundwerkstoffe bei der Anwendung der Wasseraufbereitung zu untersuchen.

Anwendung von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen bei der Wasseraufbereitung

Graphen (GE) ist ein periodisches zweidimensionales kohlenstoffhaltiges Wabenmaterial, das durch hexagonale Anordnung von sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen gebildet wird. Es hat eine große spezifische Oberfläche, eine hohe Elektronenmobilität und eine starke chemische Stabilität. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Forschungsfortschritt von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen in Wasseraufbereitungsadsorbentien und Photokatalysatoren in den letzten Jahren. Graphen und seine Verbundwerkstoffe haben eine gute Adsorptionswirkung auf Metalle, organische Schadstoffe und andere Schadstoffe sowie eine hohe Adsorptionskapazität. Nach der Kombination mit photokatalytischen Materialien verbessert Graphen die photokatalytischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften wirksam. . Schließlich wurde die Anwendung verschiedener Graphen- und Verbundwerkstoffe bei der Wasseraufbereitung bewertet und ihre Anwendungsaussichten bei der Wasseraufbereitung untersucht.

Herstellung und Eigenschaften von Graphen

In den letzten Jahren wurden positive Fortschritte bei der Herstellung von Graphen erzielt. Der Herstellungsprozess von Graphen ist üblicherweise Graphit-Graphitoxid-Graphenoxid-Graphen. Das Herstellungsverfahren ist in Fig. 2 gezeigt. Übliche Kohlenstoffmaterialien auf Graphenbasis umfassen Graphen, Graphenoxid und reduziertes Graphenoxid. Die Herstellungsverfahren von Graphen umfassen hauptsächlich mikromechanische Spaltung, chemische Gasphasenabscheidung, epitaktisches Wachstum, kolloidale Suspension und dergleichen. Das bei der Wasseraufbereitung verwendete Graphen wird hauptsächlich durch chemische Verfahren unter Berücksichtigung des Herstellungsverfahrens, der Herstellungskosten und des Maßstabs hergestellt, und das Redoxverfahren wird am häufigsten verwendet. Graphenoxid (GO) wird üblicherweise durch chemische Oxidation und Ultraschallherstellung von Graphit erhalten. Aufgrund des breiten Spektrums an Graphitquellen und der niedrigen Preise ist Graphenoxid leicht in Massenproduktion herzustellen. Gleichzeitig weist Graphenoxid eine große Anzahl sauerstoffhaltiger Gruppen wie Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und Epoxygruppen auf. Es ist eine hydrophile Substanz, hat eine gute Verträglichkeit mit vielen Lösungsmitteln und ist sehr gut für die Anwendung in der Wasseraufbereitung geeignet.

Zu den derzeit verwendeten häufig verwendeten Graphitoxidationsmethoden gehören die Brodie-Methode, die Standenmaier-Methode und die Hummers-Methode. Das Grundprinzip besteht darin, den Graphit zuerst mit einer starken Säure zu behandeln, eine Graphit-Interkalationsverbindung zu bilden und dann ein starkes Oxidationsmittel hinzuzufügen, um ihn zu oxidieren. Am häufigsten wird die Hummers-Methode verwendet, bei der konzentriertes H2SO4, NaNO3 und KMnO4 als Oxidationsmittel verwendet werden. Diese Methode verkürzt die Vorbereitungszeit und verbessert den Sicherheitsfaktor. Diese Methode wird häufig bei Wasseraufbereitungsanwendungen eingesetzt. Das Graphenoxid kann durch ein chemisches Verfahren (unter Verwendung eines Reduktionsmittels wie Hydrazinhydrat, Dimethylhydrazin, Natriumborhydrid usw.), ein thermisches Strippverfahren, ein UV-Strahlungsverfahren, ein Mikrowellenverfahren oder dergleichen zu Graphen reduziert werden. Die reduzierte sauerstoffhaltige Gruppe auf der Oberfläche des Graphenoxids wird reduziert, um reduziertes Graphenoxid (RGO) zu erhalten, das das Oberflächenpotential erhöht. Im Vergleich zu Graphenoxid ist die Adsorptionskapazität anionischer Schadstoffe in Wasser erhöht.

Zusammenfassung und Ausblick

Die schlechte Dispergierbarkeit von Graphen ist bei der Anwendung in wässriger Lösung begrenzt, und die Oberfläche von Graphenoxid enthält sauerstoffhaltige Gruppen wie Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und Epoxygruppen, die eine gute Hydrophilie und eine hohe negative Oberflächenladung aufweisen und für geeignet sind Die Behandlung von Metallionen und positiv geladenem Farbstoffabwasser hat eine gute Wirkung. Die sauerstoffhaltige Gruppe auf der Oberfläche des reduzierten Graphenoxids ist teilweise reduziert, was das Oberflächenpotential des Materials erhöht und das negativ geladene organische Farbstoffabwasser und einige anionische Schadstoffe auf der Oberfläche behandeln kann. Graphen und seine Verbundwerkstoffe können eine wirksame Rolle bei der photokatalytischen Leistung spielen, hauptsächlich aufgrund der folgenden drei Aspekte. Erstens ist die spezifische Oberfläche groß und die Adsorptionskapazität des Verbundmaterials wird verbessert. Zweitens kann die höhere Elektronentransportfähigkeit als Elektronenakzeptor verwendet werden, wodurch die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren verzögert und die photokatalytische Aktivität des Verbundstoffs verbessert wird. Das Wichtigste ist, dass Graphen die spektrale Antwort des Komposits auf den sichtbaren Bereich erweitert und die Bandlücke des photokatalytischen Materials verringert.

Aus der aktuellen Forschung geht hervor, dass der Hauptdurchbruch bei der Anwendung von Graphen in der Wasseraufbereitung die Querschnittsstudie zu Materialien, Chemie und Umweltmanagement ist. Die Forschung an neuartigen Graphen-Verbundwerkstoffen basiert hauptsächlich auf den Eigenschaften der Materialien selbst zur Entfernung von Schadstoffen und auf der Kombination mit Kohlenstoffmaterialien auf Graphenbasis, um die Fähigkeit von Materialien zur Adsorption, zum Elektronentransfer und zur Reduktion zu verbessern. Der Mechanismus der Entfernung von Verunreinigungen durch Graphen und seine Verbundwerkstoffe ist noch unklar. Aus dem Mechanismus heraus werden die Verbundwerkstoffe auf Graphenbasis für die Entfernung von Schwermetallen, anorganischen Substanzen und organischen Schadstoffen in Wasser untersucht, insbesondere für die Entfernung neuer feuerfester Schadstoffe. Darüber hinaus muss die Stabilität von Graphen und seinen Verbundwerkstoffen verbessert werden. Die Herstellung von stabilen Graphenverbundwerkstoffen nach Volumen ist auch ein schwieriges Problem, das Graphen bei der Wasseraufbereitung weit verbreitet ist. Die einfache Trennung und die umweltfreundlichen magnetischen Graphen-Verbundwerkstoffe haben breite Aussichten für die Verwendung in der Wasseraufbereitung, aber es braucht Zeit, bis Graphen-Verbundwerkstoffe in großem Umfang für Wasseraufbereitungsprojekte eingesetzt werden.

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