Composite graphene oxide membranes produced from recycled graphite with tunable molecular selectivity for wastewater treatment

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2025.106998

作者单位：乌贝兰迪亚联邦大学

论文摘要

氧化石墨烯 (GO) 被认为是一种很有前途的材料，可用于开发具有高渗透选择性的下一代液体过滤膜。本文提出了一种环境可持续的工艺，使用从锂离子电池 (LIBs) 阳极回收的石墨来合成GO。

将 GO 膜沉积在非对称陶瓷中空纤维的外表面，制备的复合膜具有可调筛分特性，可用于废水过滤。回收石墨呈现出与高纯度石墨样品相似的晶体特性，但在回收石墨中发现了一些污染物，例如磷 (0.82 ± 0.03 wt%)、铜 (0.34 ± 0.00 wt%) 和硫 (0.09 ± 0.01 wt%)。然而，这些污染物并不影响所制备的 GO 材料的特性，该材料呈现出 0.811 nm 的 d 空间和 1.294 nm 的横截面厚度。复合膜的 GO 厚度为 243 ± 7 nm，水渗透率为 2.01 ± 0.02 L h−1 m−2 bar−1，在跨膜压力为 6 bar 的过滤过程中可保留 98.8 ± 0.1 % 的紫色晶体分子。因此，建议将整个过程用于回收废旧LIBs中的废石墨以及将复合 GO 膜应用于废水处理。

实验方法

从锂离子电池中回收石墨：

电池的拆卸和石墨提取程序按照文献进行。首先，将废旧的移动式 LIBs浸入 10 wt% NaCl 水溶液中 10 分钟，然后浸入 10 wt% Na₂SO₄ 水溶液中 24 小时，以确保剩余能量的释放。随后，将电池在 60 ℃下干燥 24 小时，并测量电压以检查总放电量。手动拆卸电池，拆下阴极、阳极和隔膜部件。将阳极材料在 60 ℃ 下干燥 24 小时后，用刮刀将石墨粉从铜箔上刮掉（图 1）。计算出每个阳极元件的石墨回收率为 57.6±4.2%。电池的其他部分被储存起来以备将来使用。

利用商业和回收石墨样品合成氧化石墨烯：

根据改进的 Hummers 方法，考虑使用商业和回收的石墨样品进行 GO 合成。对于每个石墨样品，首先在反应容器中在剧烈的磁力搅拌下混合以下反应物约 5 分钟：1.0 g 石墨粉、0.5 g NaNO₃ 和 23 mL H₂SO₄。然后，将 3.0 g KMnO₄ 逐渐添加到悬浮液中，并将混合物磁力搅拌 2 小时。在将反应容器置于冰浴中以将温度控制在约 5 ℃ 的情况下执行这些步骤。之后，在剧烈的磁力搅拌下将悬浮液加热至 35℃ 并持续 30 分钟。然后，将 46 mL 超纯水 (Milli-Q®) 逐渐混入悬浮液中，并监测温度为 95 ℃。加水后，将悬浮液在磁力搅拌下搅拌 30 分钟。随后，通过添加 140 mL 去离子水和 10 mL H₂O₂（30 vol%）完成反应。通过真空过滤从悬浮液中回收产生的粉末，并用 200 mL HCl 溶液（5 vol%）依次清洗 5 次。然后，将悬浮液放入醋酸纤维素膜袋中，用自来水透析，直到溶液 pH 值接近中性。剥离步骤发生在超声波槽（Sonic Mill，1790 W，20 kHz）中，悬浮液在其中保持 1 小时。最后，将悬浮液在 60 ℃ 下干燥 12 小时并储存以备表征和应用。

图文摘取

主要结论

从 LIBs 回收的石墨在结晶性、微观结构和电子结构、热稳定性和形貌方面与商用高纯石墨样品具有相似的特性。

由于电池部件的这些成分转移到石墨膜上，因此在回收石墨的成分中检测到了少量的污染物，例如磷、铜和锂。然而，根据改进的Hummers方法，在回收石墨氧化生成 GO 后，这些成分被消除。因此，在相同反应条件下，由回收石墨生产的 GO 具有与由高纯石墨生产的 GO 相似的特性。然后将生成的 GO 沉积在陶瓷中空纤维上，复合膜成功用于去除结晶紫分子，去除率接近 99%。建议进一步研究不同初始染料浓度和 GO 厚度对复合 GO 膜效率的影响，并通过长期过滤来评估膜的稳定性。

因此，建议使用回收石墨来合成GO，作为一种经济且环保的替代方案。