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行业宝典 |《2021石墨烯环保领域研究报告》正式发布

 

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  21世纪,全球环保产业开始进入快速发展阶段,成为支撑国家经济效益的重要力量,并正在成为许多国家改革和调整产业结构的重要目标。美国、欧盟以及日本的环保产业由于发展较早,为全球环保市场的主要力量。近年来,全球环境污染问题愈发严重,环保行业愈发得到重视。  
  当前环境破坏与污染等问题突出体现在水和大气污染及固体废弃物处理、土壤修复等方面,为此不少科研工作者投入大量精力和时间,尤其在新材料的应用上开展一些有益的探索,其中石墨烯具有比表面积大、吸附性能好、导电导热性能优异、机械硬度和韧性强、透光率高等特点,使其在环保领域具有广阔的应用前景及巨大的市场价值,而目前石墨烯在环保领域的应用主要体现在水处理、大气治理和土壤修复、环境监测(环境监测主要是石墨烯环境监测传感器,该部分将在石墨烯在电子信息领域进行详细分析)等领域。
 
石墨烯在水处理领域的研究进展
  随着社会的进步、人口的增长及工业化的快速发展,水污染已经成为全球性问题,严重威胁着人类社会的生态环境。不少学者研发各种新材料研究水污染问题,而石墨烯由于具有巨大的比表面积、良好的吸附性能、优良的电子传输性能等而被当作水处理剂,它不仅可以很好吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物,还可以起到过滤作用,甚至可以应用于催化剂,催化水中污染物的降解,因此是良好的水处理材料,常作为吸附剂、光催化剂等广泛应用在污水处理、海水漏油处理、海水淡化和水净化等水处理领域。研究学者通过大量实验证明,石墨烯及其复合材料可以吸附重金属离子、染料、抗生素、杀虫剂、原油等。
 
表 2-1 石墨烯复合材料吸附污染物一览表
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污水处理
  随着世界人口的增长、工业化进程的加快,环境污染日益加重,尤以水污染问题最为突出。生活污水和工业废水的不合理排放、城市生活垃圾、农药喷洒等等,造成河流污染严重,淡水资源加剧短缺。水污染情况不断加剧,使得污水处理受到空前的关注。石墨烯的出现为污水处理带来新的转机,基于比表面积大、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及导电性好等优点,石墨烯不仅可以吸附水中的重金属、抗生素等污染物,还可作为催化剂载体,催化水中污染物的降解,因而作为污水处理材料备受关注。
 
石墨烯处理废水中重金属元素的应用
  重金属是水体污染的主要污染物之一,主要以离子形式存在,其中以阳离子形式存在的重金属占据大多数,如铜、锌、铅等,其他少数以阴离子形式存在于水体中,如铬、砷等。含有重金属的废水严重影响周围的水体、土壤及生态环境,而且重金属元素在环境介质中难降解、毒性强、具有积累效应等特征,可能通过食物链传递对动物和人类健康构成严重威胁。因此,重金属治理是废水处理和循环使用的难点,而石墨烯极大的比表面积,可增加其与水的接触面积,从而吸附废水中的重金属离子。同时,对石墨烯进行修饰与改性可以提高亲水性,实现对重金属离子的配络反应,提升吸附效率。近年来,已有不少研究者提出可以利用石墨烯及其复合材料替代传统材料作为吸附剂处理含重金属废水。
  2020年10月14日,南京大学张炜铭、潘丙才教授课题组1以实现污废水中重金属络合物的高效分离与水质净化为最终目标,首先制备出聚丙烯腈凝胶软粒子(PAN GPs,1-8nm)作为氧化石墨烯(GO)膜的纳米级插层剂,通过碱性处理可在PAN GPs表面产生电荷和双疏水/ 亲水性,有机融合了水通道截留性与水的快速渗透,成功构建出类似水通道 / 蛋白通道结构。研究结果表明,该 GO 复合膜可截留 96% 以上的重金属络合离子(Cu-NTA、Cu-CA、CuEDTA、Ni-EDTA、Cr-EDTA),水通量是文献报道同类膜的 4-13倍。
 
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  2020年,浙江农林大学教授陈亮团队通过改进电子束辐照的实验方法,形成以氢自由基为主的辐照环境,成功实现了环氧基团的选择性还原,通过选择性还原制备的氧化石墨烯膜,在对污水中甲基蓝、副品红、罗丹明 B 等常见的有机染料和铁离子、铅离子、铜离子等过渡金属离子进行有效地截留的同时,还获得了超高水通量。相比于普通的氧化石墨烯膜,所获得的水通量提升了高达两个数量级。
  2019年,斯坦福大学崔屹教授开发了一种DC/AC电沉积方法,实现了基于氧化石墨烯电极的使用点水和工业废水中重金属离子的去除和回收。电化学方法显示Cu、Cd和Pb的容量比传统吸附方法高2个数量级(> 29g/g)。在使用点水处理时,DC电沉积方法可同时将所有三种重金属离子去除至安全饮用水平以下,而在高浓度污染中AC电沉积可以选择性地回收Pb,Cu和Cd。
 
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  石墨烯及其改性材料虽然在吸收、去除重金属离子方面有非常优异性能,但目前在重金属处理领域还很难投入大规模应用。主要是由于现有研究仍主要停留在理论阶段,面向实际应用的研究较少;且石墨烯在污水处理领域理论尚不健全,对污染物去除的选择性尚不能控制;另外,要实现石墨烯及其改性材料大规模、低成本的生产和回收仍存在重大挑战......
 
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石墨烯环保领域研究报告
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来源:石墨烯联盟
 
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