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氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

氧化石墨烯膜作为一种新型分离膜在水处理领域还处于研究阶段,到实现工程化应用还有大量的工作要做,相信随着研究的深入,未来氧化石墨烯膜将成为解决水环境污染和水资源短缺问题的主要手段之一。

水环境污染和水资源短缺是全球所面临的两个重大环境问题,膜技术已经被证实是解决此问题非常有效的手段之一。目前,在水处理领域使用的膜大部分采用有机高分子材料、金属氧化物和陶瓷等为原料,在应用过程中都存在一些问题,比如污染物截留率低、能耗高、膜污染严重等。

2010年英国Manchester大学的GEIM和NOVOSELOV获得诺贝尔物理学奖后,石墨烯的研究得到了快速发展。Nair等在2012年报道了氧化石墨烯薄膜对水的独特渗透性,此后,GOM的渗透性引起了研究人员的广泛关注。专家认为,氧化石墨烯优越的物理化学性能将使氧化石墨烯薄膜成为解决水环境和水资源短缺问题最具潜力的手段之一,为膜技术在水处理领域打开了一个全新的研究方向,将成为膜技术研究的热点之一。

氧化石墨烯是与石墨烯密切相关的一种重要物质。氧化石墨烯是具有层状结构的非化学计量材料,以石墨为原料制备得到。氧化石墨烯与石墨烯在结构上有很大差别,石墨烯只含有SP2杂化碳原子,氧化石墨烯中含有sp2和sp3杂化碳原子,并且其表面具有大量官能团,这些官能团赋予氧化石墨烯一些新的性能,分散型号、亲水性、与聚合物的相互作用性等。

氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

氧化石墨烯结构示意图

制备

石墨经过氧化后分散在极性溶剂中可制得氧化石墨烯悬浮液,进而可以用于制作氧化石墨烯膜。石墨烯氧化的方法有三种:Brodie法、Staudenmaier和Hummers法。目前最常用的是Hummers法:

氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

以氧化石墨烯悬浮液制备氧化石墨烯薄膜的方法很多主要分为浸涂法,溶液蒸发法、真空抽滤法等。

氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

浸涂法制备GOM

氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

溶液蒸发法制备GOM

氧化石墨烯膜的制备及在水处理中的应用

真空抽滤法制备GOM

应用

氧化石墨烯膜具有很大的比表面积、良好的亲水性、微孔结构和大量的官能团,使其在水处理中应用广泛。

1.重金属的去除。去除机理是尺寸筛分、电荷效应和吸附作用。

2.脱盐。去除机理主要是微孔扩散、电荷效应和吸附作用。

3.抗菌。机理是氧化石墨烯纳米边缘可以穿透细胞膜导致细胞死亡,基于此氧化石墨烯膜可能兼具亲水性和抗菌性的双重抗污染性。

除以上内容外,氧化石墨烯膜在水处理领域的各个方面都具有实际或潜在的应用价值,如油水分离、染料脱色等。氧化石墨烯膜作为一种新型分离膜在水处理领域还处于研究阶段,到实现工程化应用还有大量的工作要做,相信随着研究的深入,未来氧化石墨烯膜将成为解决水环境污染和水资源短缺问题的主要手段之一。

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