Wie funktioniert die Graphen-Hack-Wasseraufbereitung?

Mit dem kontinuierlichen Wachstum der Weltbevölkerung und der Verschärfung der Wasserverschmutzung hat die Abwasserbehandlung beispiellose Aufmerksamkeit erregt. Die Menschen suchen aktiv nach Wegen, um Abwasser zu behandeln und zu nutzen. Aufgrund der Vorteile einer großen spezifischen Oberfläche, einer hohen Festigkeit, einer guten chemischen Stabilität, einer starken Modifizierbarkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit kann Graphen nicht nur organische Lösungsmittel, Schwermetalle und andere Schadstoffe in Wasser adsorbieren, sondern auch als Katalysatorträger zur Katalyse wirken der Abbau von Schadstoffen im Wasser. Daher wurde Graphen als Abwasserbehandlungsmaterial umfassend untersucht.

Die wahllose Einleitung und Einleitung von Industrieabwässern, städtischem Hausmüll und das Versprühen von Pestiziden hat den Mangel an Süßwasserressourcen verschärft, die bereits wenige sind und von Menschen nicht genutzt werden können. Jedes Jahr bringt eine große Anzahl von Abwässern in Chinas Umweltschutzindustrie großen Druck. Die Wasserverschmutzung wird immer schwerwiegender, wodurch die Abwasserbehandlung eine beispiellose Aufmerksamkeit erhält.

Die Menschen suchen aktiv nach Wegen, um Abwasser zu behandeln und zu nutzen. Aufgrund der Vorteile einer großen spezifischen Oberfläche, einer hohen Festigkeit, einer guten chemischen Stabilität, einer starken Modifizierbarkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit kann Graphen nicht nur organische Lösungsmittel, Schwermetalle und andere Schadstoffe in Wasser adsorbieren, sondern auch als Katalysatorträger zur Katalyse wirken der Abbau von Schadstoffen im Wasser. Daher wurde Graphen als Abwasserbehandlungsmaterial umfassend untersucht.

Graphenadsorption von organischer Substanz in Wasser

Graphen ist das dünnste und härteste Material der Welt. Es wurde im Jahr 2004 entdeckt.

Graphenmaterialien können verwendet werden, um organische Schadstoffe in Wasser zu adsorbieren, wie organische Farbstoffe, Kohlenwasserstoffe, Rohöl, Pestizide und einige natürliche organische Substanzen.

Professor Wang Xiangke et al. führten eine große Anzahl von Experimenten durch, um die Oberfläche von Graphen mit einer Sulfonsäuregruppe zu funktionalisieren, was die Dispersion von Graphen und damit die Adsorptionskapazität von Graphen verbesserte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Adsorptionskapazität von funktionalisiertem Graphen an Naphthalin und Naphthol 2,4 mmol / g erreichte. Im Vergleich zu zweidimensionalen Materialien, die eine geringe Belastungsrate aufweisen und Sekundärverschmutzung verursachen können, können dreidimensionale Materialien bei der Wasserreinigung leicht recycelt werden. Untersuchungen zeigen, dass die unabhängige dreidimensionale Struktur leicht recycelt werden kann, was dem Recycling von Materialien förderlich ist. Diese einfache Operation reduziert nicht nur die Kosten für die Rückgewinnung, sondern hat auch einen hohen Wert für den tatsächlichen industriellen Betrieb. Dreidimensionales Graphen hat nicht nur eine gute Adsorption für organische Farbstoffe, sondern auch eine hohe Adsorptionskapazität für verschiedene Ölsorten, die einen hohen Nutzungswert für die zukünftige Ölverschmutzung im Meerwasser aufweist.

Professor Ruoff et al. hergestelltes schwammiges Graphen durch hydrothermalen Formungsprozess; Das Material wird dann verwendet, um viele handelsübliche Erdölprodukte (einschließlich Kerosin, Pumpöl, Fett und organische Lösungsmittel) aus künstlichem Meerwasser zu entfernen, um ihre ölabsorbierenden Eigenschaften zu testen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Graphenschwammmaterial 86-mal mehr Öl als sein eigenes Gewicht absorbierte und die Ölabsorptionskapazität jedes anderen üblichen Absorptionsmittels überstieg. Die Kohlenwasserstoffe werden dann einfach wieder auf 99% erhitzt. Durch diesen Prozess kann der Graphenschwamm mehr als 10 Mal ohne Leistungsverlust regeneriert und wiederverwendet werden.

Professor li haitao wählte Graphenfragmente mit einer Partikelgröße von 500 nm aus, und durch eine spezielle physikalische Technologie wurden die Graphenfragmente in die Poren der Aktivkohle geschickt und an die innere Oberfläche gebunden, um die spezifische Oberfläche des Filtrationsmaterials und zu vergrößern Verbesserung des Filtrationseffekts und Entwicklung eines funktionellen Materials - Graphen-Kohlenstoff-Molekularsieb. Das Material hat eine super hohe Adsorption und ist leicht, stabil, hitzebeständig, große spezifische Oberfläche und für den menschlichen Körper harmlos. Im Vergleich zu Aktivkohle mit gleichem Gewicht ist die Adsorptionskapazität 20-mal höher. Dieses Graphen-Kohlenstoff-Molekularsiebmaterial kann zu einer Verbundmembran synthetisiert werden, die Antibiotika im Trinkwasser wirksam entfernen kann.

Professor Liu Zhaoping verwendete Formamid als Antriebsmittel, um stickstoffdotierte 3d-Graphenmaterialien mit Nanospulenstruktur durch gewöhnliches Erhitzen herzustellen. Die Entfernungseffizienz von Methylenblau und Rhodamin B erreichte 96,8% bzw. 94,6%. Der durch Stickstoffdotierung hervorgerufene helikale Kanal ist der Schlüssel für die kontinuierliche und effiziente Diffusion organischer Stoffe in die innere Graphenschicht.

Die Rolle von Graphen bei der Behandlung der Schwermetallverschmutzung

Die uneingeschränkte Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat der Umwelt großen Schaden zugefügt. Beispielsweise hat die unsachgemäße Entsorgung von Elektronikschrottprodukten zu einer Schwermetallbelastung der Gewässer geführt. Graphen hat aufgrund seiner großen spezifischen Oberfläche ein großes Potenzial auf dem Gebiet der Adsorbentien.

Unter Verwendung von Hydrazin zur Reduktion von Graphitoxid haben Leng et al. hergestelltes rGO, das spontan metallisches Antimon mit einer maximalen Adsorption von 7,463 mg / g absorbieren kann. Pan et al. reduziertes GO mit dem üblicherweise verwendeten industriellen Harnstoffdisulfid, und das erzeugte rGO könnte den radioaktiven Kernbrennstoff Thorium mit einer maximalen Adsorption von 0,21 mg / g spontan adsorbieren. Aufgrund der geringen Anzahl funktioneller Gruppen auf der Oberfläche von Graphen modifizierten und modifizierten viele Forscher Graphen und verwendeten es für die Adsorption von Schwermetallen, wodurch ein guter Adsorptionseffekt und sogar die gleichzeitige Adsorption und Entfernung einer Vielzahl von Schwermetallionen erzielt wurden.

Wu et al. modifiziertes Graphen mit Cetyltrimethylammonium (CTAB) und fand heraus, dass das modifizierte Graphen Metall Cr mit einer maximalen Adsorptionskapazität von 21,57 mg / g spontan adsorbieren konnte. Mishra, wie die Verwendung von Wasserstoff, der GO-Flocken erzeugt, um Graphenschichten zu erhalten, und dann mit Salpetersäure behandelt wird, die reich an funktionellen Gruppen der Graphenoberfläche ist, wird die Funktionalisierung von Graphen für Superkondensatorelektroden verwendet, nicht nur um die Entfernung von As und Na zu erreichen in Wasser ist gleichzeitig die Meerwasserentsalzung die größte Adsorptionsmenge As 142 mg / g (V), As (III) 139 mg / g, signifikant höher als die von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren und magnetisch reduktivem Graphit Oxid.

Im Vergleich zu Graphen lässt sich GO leichter modifizieren, da es mehr sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen und eine starke Hydrophilie aufweist, was auch die Bildung von Komplexen mit Metallen erleichtert und somit die Adsorption von Schwermetallen in Wasser fördert. Neben einer guten Adsorption an Schwermetalle weist GO auch eine gute Adsorption an das radioaktive Element Uran (VI) auf.

Li et al. adsorbiertes Uran (VI) mit GO-Nanoblattschicht, und die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Adsorptionskapazität von GO für Uran (VI) 299 mg / g betrug und der Adsorptionseffekt signifikant besser war als der von rGO (47 mg / g). Ähnlich wie bei Graphen kann eine Modifikation von GO den Adsorptionseffekt weiter erhöhen.

Madadrang et al. Modifizierten GO mit EDTA. EDTA kann mit Metall einen stabilen Chelatbildner bilden, so dass es einen guten Adsorptionseffekt hat. Nach dem Langmuir-Modell erreicht die maximale Adsorptionskapazität von go-edta auf Pd2 + 525 mg / g, fast das Zweifache von GO.

Darüber hinaus kann dreidimensionales Graphen nicht nur das Problem der Fest-Flüssig-Trennung als makroskopischer Körper lösen, sondern hat auch große Vorteile bei der Adsorptionsleistung. Lei et al. stellten einen dreidimensionalen unabhängigen GO-Schaum mit einer spezifischen Oberfläche von 578,4 mg / g her, und seine maximale Adsorptionskapazität für Cd2 +, Pd2 + und Fe3 + betrug 252,5, 381,3 bzw. 57,6 mg / g.

Gao et al. stellten ein 3d-Graphenhydrogel her, indem sie Graphen mit Dopamin reduzierten. Während der Reduktion von Graphen modifizierte Dopamin die Graphenoberfläche. Das hergestellte Graphen hat nicht nur eine gute Adsorption für Schwermetalle, sondern auch für synthetische Kraftstoffe und aromatische Schadstoffe. Graphen kann nicht nur Metallkationen, sondern auch Anionen absorbieren. Zum Beispiel kann Graphen PO4-, ClO4- und F- in Wasser adsorbieren. Im Gegensatz zum festen Adsorptionsmechanismus von Schwermetallkationen werden Anionen durch Bildung einer Struktur auf Graphen adsorbiert.

Vilela et al. entwickelten einen auf Graphen basierenden Mikroroboter, mit dem giftige Schwermetalle in verschmutztem Wasser gereinigt werden können. Tests zeigen, dass der Mikroroboter innerhalb einer Stunde 95% des Bleis in verschmutzten Gewässern zurückgewinnen kann, wodurch die Bleikonzentration in den Gewässern von 1,0 10-6 auf 0,5 10-7 verringert wird. Nachdem das Blei chemisch getrennt wurde, kann der Roboter wieder verwendet werden.

Obwohl Graphen eine hervorragende Leistung bei der Absorption von Schwermetallionen aufweist, ist es aufgrund seines hohen Preises und seiner unreifen Prozessbedingungen schwierig, es in großem Maßstab auf dem Gebiet der Schwermetalladsorption einzusetzen. Mit der Senkung des Herstellungspreises von Graphen und der Verbesserung seines Adsorptionseffekts hat Graphen zwangsläufig eine große Anwendungsperspektive auf dem Gebiet der Schwermetallionenadsorption im Abwasser.

Forschung zum Abbau von Schadstoffen unter Verwendung von Graphen als Katalysatorträger

Obwohl durch Adsorption Schadstoffe in Wasser entfernt werden können, kann diese Technologie nur Schadstoffe adsorbieren. Um eine echte Reinigung des Wassers zu erreichen, müssen die adsorbierten Materialien weiter behandelt werden. Eine vollständige Sedimentation oder Entfernung von Verunreinigungen kann durch katalytischen Abbau erreicht werden. Die katalytische Verschmutzungsbekämpfung ist kostengünstig, effizient und bietet gute Anwendungsaussichten.

Die große spezifische Oberfläche und die reichlich vorhandenen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Graphen verleihen ihm hervorragende Eigenschaften, wodurch es ein großes Potenzial als Katalysatorträger und andere Aspekte besitzt.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Abbaurate von Rhodamin B und Methylenblau durch den aus Titandioxid / Graphen mit Graphen als Träger hergestellten Photokatalysator unter ultraviolettem Licht signifikant höher war als die von reinem TiO2. Metalloxid / Graphen-Verbundwerkstoffe weisen eine ausgezeichnete photokatalytische Effizienz auf, die den Abbau organischer Verbindungen, die Reduktion von Schwermetallkationen und die Reinigung von Wasser katalysieren kann. Graphenkatalysatoren töten auch bakterien im Abwasser ab. Graphen- und Wolframoxid-Nanokomposite weisen gute photokatalytische Phagenabtötungseigenschaften auf. TiO2 / Graphen-Verbundkatalysator zeigte auch nachteilige Wirkungen auf Nematoden und e. coli unter licht.

Analyse der Marktaussichten

In den letzten zehn Jahren gab es große Durchbrüche bei Graphen und bei der Verwendung von Materialien auf Graphenbasis für den Umweltschutz. Die einzigartige Struktur und die hervorragenden Eigenschaften von Graphen verbessern die Leistung umweltfreundlicher Materialien erheblich. Da Graphen Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen chemisch ähnlich ist, wird es ähnliche Anwendungen im Umweltschutz haben. Daher hängt die Wahl der im Umweltschutzbereich zu verwendenden Kohlenstoffmaterialien hauptsächlich von deren Preis, Verarbeitbarkeit und Umweltauswirkungen ab.

Da GO im Vergleich zu Rohgraphen relativ billig ist, ist es wahrscheinlich das erste, das im Bereich des Umweltschutzes angewendet wird. Der Preis von GO ist vergleichbar mit dem von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren, die teurer als Aktivkohle sind, aber viel billiger als Graphen, das durch einwandige Kohlenstoffnanoröhren und CVD synthetisiert wird. Aufgrund der erhöhten Produktionskapazität und Prozessoptimierung werden die Kosten für Materialien auf Graphenbasis jedoch mit der Zeit zwangsläufig sinken. Die Produktionskosten für Graphen im Labor sind auf etwa ein Viertel gegenüber 2012 gesunken. Dank der Reduzierung der Graphenkosten wird die nachgelagerte Anwendung von Graphen einen Durchbruch sowohl in der Industrialisierung als auch in der Forschung erzielen.

Obwohl Graphen auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung aufgrund seines hohen Preises fruchtbare Forschungsergebnisse erzielt hat, wird seine Anwendung in vielen Bereichen noch lange in der Forschungsphase bleiben.

Die spezifische Oberfläche von Graphen ist riesig und es kann Schwermetalle und Farbstoffe in Wasser sehr gut absorbieren. Die Anwendung von Graphen als Adsorbens im Bereich des Umweltschutzes wird den Industrialisierungsprozess einleiten. Obwohl Graphen im Vergleich zu Aktivkohle eine ausgezeichnete Adsorptionsleistung aufweist, weist es derzeit eine niedrige Kostenleistung und keinen wirtschaftlichen Nutzen auf. Der theoretische Wert der graphenspezifischen Oberfläche beträgt 2630 m 2 / g, es ist jedoch schwierig, 1000 m 2 / g für Graphen normaler Qualität zu überschreiten. Die spezifische Oberfläche von kommerzieller Aktivkohle liegt jedoch im Allgemeinen zwischen 800 und 1000 m² / g mit einer entwickelten mikroporösen Struktur und einer ausgezeichneten Adsorptionsleistung. Daher erscheint es unnötig, Aktivkohle durch teures Graphen für die Adsorption verschiedener Schadstoffe zu ersetzen.

Graphen hat jedoch unvergleichliche Vorteile gegenüber Aktivkohle und anderen Materialien. Aufgrund seiner speziellen zweidimensionalen Struktur und Porengrößenverteilung weist es eine höhere Adsorptionseffizienz für Schadstoffe auf. Darüber hinaus bewirken die synergistischen Effekte verschiedener Adsorptionsmechanismen (elektrostatisch, Wasserstoffbrückenbindung, Pion-Pi-Bindung und Hydrophobie) von funktionellen Gruppen auf den GO- und rGO-Oberflächen auch bessere Adsorptionseffekte.

Derzeit konzentrieren sich viele Studien auf die Adsorption von Graphen an verschiedenen Schwermetallionen in Wasser. Obwohl die Adsorption von Schwermetallen durch Aktivkohle schlechter ist als die von Graphen, kann dieser Mangel durch eine zuverlässige Menge ausgeglichen werden. In den letzten Jahren haben viele inländische Graphen-Rohstoffhersteller Massenproduktionslinien eingerichtet. Mit der Entwicklung nachgeschalteter Anwendungsprodukte ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Produktionskosten für Graphen kontinuierlich gesenkt werden, was in Zukunft den Markt für Abwasserbehandlung anführen wird.

Fazit

Insbesondere Go-Graphen hat nicht nur eine große spezifische Oberfläche, sondern auch eine große Anzahl aktiver funktioneller Gruppen auf seiner Oberfläche, wie Carboxyl, Hydroxyl, Carbonyl, Epoxy und eine große Anzahl von Porendefekten. Daher hat es eine starke Adsorptionskapazität und eine gute Fähigkeit, Schwermetallionen und organische Schadstoffe in der Umwelt zu entfernen. Wenn gleichzeitig Graphen als Adsorbens verwendet wird, sind seine Qualitätsanforderungen nicht sehr hoch, was die Schwierigkeit der praktischen Anwendung verringert und in Zukunft sehr wichtige Anwendungen auf dem Gebiet der Abwasserbehandlung haben wird. Länder auf der ganzen Welt haben auch Richtlinien herausgegeben, um die Entwicklung der Graphenindustrie zu steuern, insbesondere angesichts des weltweit größten Umweltproblems. Sie werden weiterhin eingehende Forschungen durchführen und die enormen Vorteile von Graphen ausspielen. Defektes Graphen ist nicht perfekt, und das wissenschaftliche Forschungspersonal schöpft sein internes Potenzial aus, macht seine üppige Wendung, indem es den Herstellungsprozess verbessert, um die Produktionskosten zu senken, auf der Basis von Graphen, das Graphen zwangsläufig zur Dekontamination der Umwelt und zur Reinigung der Umwelt führt. wird nach und nach die beherrschende Stellung im künftigen Marktwettbewerb einnehmen.

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