清華大學:碳納米管/石墨烯基納米材料在廢水處理中的應用

2020-12-04 材料分析與應用

成果簡介

有機廢水的處理具有重要意義。碳納米管（CNT）/石墨烯基納米材料具有高的比表面積，中孔結構，可調節的表面性質和高化學穩定性，因此具有作為有機廢水處理吸收材料的巨大潛力。這些屬性使它們能夠在高濃度或高溫下承受苛刻的廢水條件，例如酸性，鹼性和鹹性條件。儘管已經報導了大量有關CNT /石墨烯基納米材料在有機廢水系統中的性能的工作，但其實際應用仍存在挑戰。

本文總結CNT和石墨烯基納米材料的吸附機理，包括碳納米管和石墨烯在原子和分子水平上的吸附機理，親水和疏水表面特性以及發生吸附所需的結構-性質關係。其次，介紹用於各種有機廢水系統的基於CNT和石墨烯的吸附劑的結構改性和複合方法。並且討論挑戰，包括宏觀穩定吸附劑的成型，吸附等溫線模型和吸附動力學行為，以及與活性炭（AC）相比可逆的吸附性能。最後，根據材料的可擴展性和實際應用討論了成本問題。

圖文導讀

2.1 碳納米管和石墨烯中水/有機物的吸附機理

石墨烯結構是碳同素異形體的基本單元。石墨烯單元的堆疊，密封和軋制以某種方式導致形成傳統的石墨，富勒烯和CNT。

圖1、a）基於石墨烯片的碳同素異形體。b）石墨烯與各種汙染物之間的吸附機理。

圖2、a）薄層石墨烯的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。

b）石墨納米片的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

c）TEM圖：i）具有五個殼且直徑為6.7 nm的MWCNT，ii）具有兩個殼且直徑為5.5 nm的MWCNT，iii）具有七個殼且直徑為6.5 nm的MWCNT 。

d）原始多壁碳納米管的SEM圖像。

e）GNH粉末的SEM圖像。

f）GNH的TEM圖像顯示了石墨烯夾層中的CNT。

圖3、CNT /石墨烯基納米材料對去除廢水中某些化學物質的吸附能力

2.2 CNT /石墨烯基吸附劑的結構改性和複合

圖4、a）橫穿的聚苯乙炔鏈緊密纏繞在SWCNT周圍。b）氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI）。c）GO-PANI納米片的SEM圖像。d）GO納米片的SEM圖像。e）GOCNTPPD混合體。f）pH對MV吸附的影響。g）pH對MO吸附的影響。

圖5、a）CAS的照片。b）原始的CNTPTFE條帶。c）壓縮後的CNTPTFE條帶。d）用N 2等溫吸附測定的CASs孔徑分布。e）含7.5％PTFE的CNT-PTFE條的孔徑分布。f）不同帶材的抗壓強度

測試基於CNT /石墨烯的納米材料的動力學吸附行為。對於二甲苯在石墨烯-納米管-雜化物（GNHs）上的吸附，填充作用和大的吸附能力導致1分鐘內23 gg -1的分離吸附，飽和值的95％。然後，吸附質量基本上不隨吸附時間而增加。根據偽二級動力學模型，對CNT和CAS觀察到了相似的吸附行為。

表1、碳納米材料基吸附劑和AC的一些典型解吸方法

圖6、碳納米管/石墨烯基納米材料處理後的有機廢水的流向。

2.3 可擴展的實際應用的成本問題

基於CNT或石墨烯的吸附劑中解吸有機物的能量或熱成本要比基於AC的吸附劑低得多，這使得基於CNT或石墨烯的吸附劑的實際應用成為可能。提出以下概念降低用於廢水處理的CNT /石墨烯基吸附劑成本：

減少CNT /石墨烯基吸附劑成型的準備步驟由冷凝的有機物混合物製備基於CNT /石墨烯的吸附劑利用熱能減少總能耗其他用途的CNT和石墨烯的回收和轉化 CNT或石墨烯基吸附劑的最終降解主要歸因於難以解吸的組分的沉積或吸附劑的孔被無機氧化物的其他小粉末阻塞。吸附劑中包含的CNT或石墨烯可以在粉碎吸附劑或除去其他成分後回收，因為CNT和石墨烯即使在酸和鹼中或高溫下也非常穩定。因此，這些回收的CNT和石墨烯可用於其他領域，例如水泥複合材料。

觀點與小結

新興的納米材料提供前所未有的可能性，技術的不斷進步為應用奠定基礎。隨著環境和社會需求的發展，碳納米材料，例如碳納米管和石墨烯，不僅應用於儲能和複合材料領域，而且在廢水處理中顯示出巨大的潛力。大量的基礎研究表明，CNTs和石墨烯在各種應用中具有靈活性。但是，由於CNT和石墨烯的供應有限，僅在極少數情況下實現試驗工廠應用。該領域仍然需要可持續發展，包括擴大功能化的CNT及其複合材料的規模，並具有良好的可重複性和可接受的成本。選擇使用常規吸附劑（例如沸石，AC和粘土）無法實現的重要而困難的應用，對於工業迅速接受CNT和石墨烯而言至關重要。性價比是一個關鍵因素。另一方面，通常可以理解，即使應用程式很少，促進新材料的實際應用應為廢水處理領域帶來新的活力。

最後，本文提出使用碳納米材料注意吸附劑安全性的重要性。碳納米管和石墨烯的單分散狀態非常小且重量輕，導致水分容易流失，易於通過人的呼吸系統攝入。但是，宏觀上使用複合材料是相對安全的，因為CNT和石墨烯與粘合劑的相互作用非常強。成型是平衡單個碳納米材料的安全性和碳納米材料吸附劑效率的重要方法。

文獻：

The Application of Carbon Nanotube/GrapheneBased Nanomaterials in Wastewater Treatment

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