グラフェンの「ハック」水処理はどのように機能しますか？

世界人口の継続的な増加と水質汚染の悪化により、下水処理は前例のない注目を集めています。人々は下水を処理して利用する方法を積極的に探しています。比表面積が大きく、強度が高く、化学的安定性が高く、修飾性が高く、電気伝導性が高いという利点に基づいて、グラフェンは水中の有機溶媒、重金属、その他の汚染物質を吸着するだけでなく、触媒として作用します。水中の汚染物質の分解。そのため、グラフェンは下水処理材料として広く研究されてきました。

産業廃水、都市生活ゴミ、農薬散布の無差別な排出と排出は、すでに少なく、人々が利用できない淡水資源の不足を悪化させています。毎年、中国の環境保護産業に大量の廃水が大きな圧力をもたらしています。水質汚濁はますます深刻化しており、下水処理はかつてないほど注目されています。

人々は下水を処理して利用する方法を積極的に探しています。比表面積が大きく、強度が高く、化学的安定性が高く、修飾性が高く、電気伝導性が高いという利点に基づいて、グラフェンは水中の有機溶媒、重金属、その他の汚染物質を吸着するだけでなく、触媒として作用します。水中の汚染物質の分解。そのため、グラフェンは下水処理材料として広く研究されてきました。

水中の有機物のグラフェン吸着

グラフェンは、世界で最も薄くて硬い材料です。 2004年に発見されました。

グラフェン材料は、有機染料、炭化水素、原油、農薬、一部の天然有機物質などの有機汚染物質を水中に吸着するために使用できます。

王xiangke教授等。グラフェンの表面をスルホン酸基で官能化するために多数の実験を実施しました。これにより、グラフェンの分散が改善され、グラフェンの吸着能力が向上しました。結果は、ナフタレンおよびナフトールへの官能化グラフェンの吸着容量が2.4mmol / gに達することを示した。負荷率が低く、二次汚染の原因となる可能性のある二次元材料と比較して、三次元材料は浄水に簡単にリサイクルできます。研究によると、独立した三次元構造はリサイクルが容易であり、材料のリサイクルに役立ちます。これは簡単な操作だけでなく、回収コストを大幅に削減します。実際の産業操作には大きな価値があるからです。三次元グラフェンは、有機染料への吸着性が高いだけでなく、さまざまな種類の油への吸着能力が高く、将来の海水汚染への利用価値が高い。

Ruoff教授等。水熱成形プロセスによって調製されたスポンジ状グラフェン。次に、この材料を使用して、人工海水から多くの市販の石油製品（灯油、ポンプオイル、グリース、有機溶剤など）を除去し、それらの吸油特性をテストします。結果は、グラフェンスポンジ材料が自重の86倍の油を吸収し、他の一般的な吸収剤の油吸収能力を超えていることを示しました。次に、炭化水素は単純に99％まで加熱されます。このプロセスにより、性能を損なうことなく、グラフェンスポンジを10回以上再生および再利用できます。

li haitao教授は、粒子サイズが500 nmのグラフェンフラグメントを選択し、特別な物理的技術により、グラフェンフラグメントを活性炭の細孔に送り、内面に付着させて、ろ過材の比表面積を増加させました。ろ過効果を向上させ、機能性材料であるグラフェンカーボンモレキュラーシーブを開発しました。この材料は超高吸着性で、軽く、安定していて、耐熱性があり、比表面積が大きく、人体に無害です。同重量の活性炭と比較して、吸着容量は20倍です。このグラフェンカーボンモレキュラーシーブ材料は、飲料水中の抗生物質を効果的に除去できる複合膜に合成できます。

liu zhaoping教授は、ホルムアミドを駆動剤として使用し、通常の加熱によってナノコイル構造の窒素ドープ3dグラフェン材料を調製しました。メチレンブルーとローダミンBの除去効率はそれぞれ96.8％と94.6％に達した。窒素ドーピングによってもたらされるらせんチャネルは、グラフェン内層への有機物の継続的かつ効率的な拡散の鍵です。

重金属汚染の処理におけるグラフェンの役割

科学技術の無制限の発展は、環境に甚大な被害をもたらしました。たとえば、電子廃棄物の不適切な処分は、水域に重金属汚染を引き起こしました。グラフェンは比表面積が大きいため、吸着剤の分野で大きな可能性を秘めています。

ヒドラジンを使用して酸化グラファイトを還元する、Leng etal。最大吸着量7.463mg / gで金属アンチモンを自発的に吸収できるrGOを調製。パンら。一般的に使用されている工業用尿素ジスルフィドでGOが減少し、生成されたrGOは、最大0.21mg / gの吸着で放射性核燃料トリウムを自発的に吸着する可能性があります。グラフェンの表面には官能基が少ないため、多くの研究者がグラフェンを修飾および修飾して重金属の吸着に適用し、優れた吸着効果を実現し、さまざまな重金属イオンの同時吸着と除去を実現しました。

ウーらセチルトリメチルアンモニウム（CTAB）で修飾されたグラフェンは、修飾されたグラフェンが21.57mg / gの最大吸着容量で金属Crを自発的に吸着できることを発見しました。ミシュラなど、水素生成GOフレークを使用してグラフェン層を取得し、グラフェン表面官能基が豊富な硝酸で処理するなど、グラフェンの機能化は、AsとNaの除去を実現するだけでなく、スーパーキャパシタ電極にも使用されます。水中では、同時に、海水の脱塩、それぞれ最大の吸着量As 142 mg / g（V）、As（III）139 mg / g、多層カーボンナノチューブおよび磁気還元グラフェンよりも大幅に高い酸化物。

GOは、グラフェンと比較して、酸素含有官能基が多く、親水性が強いため、修飾が容易であり、金属との錯体形成も容易であるため、水中での重金属の吸着を促進します。 GOは、重金属への優れた吸着に加えて、放射性元素のウラン（VI）への優れた吸着も備えています。

Li etal。 GOナノシート層でウラン（VI）を吸着し、その結果、GOのウラン（VI）に対する最大吸着容量は299mg / gであり、吸着効果はrGO（47mg / g）よりも有意に優れていた。グラフェンと同様に、GOを変更すると吸着効果をさらに高めることができます。

Madadrangらは、GOをEDTAで変更しました。 EDTAは金属と安定したキレート剤を形成できるため、吸着効果が良好です。 Langmuirモデルによると、Pd2 +へのgo-edtaの最大吸着容量は525mg / gに達し、GOのほぼ2倍です。

また、三次元グラフェンは巨視的な物体としての固液分離の問題を解決できるだけでなく、吸着性能にも大きなメリットがあります。 Lei etal。比表面積が578.4mg / gの3次元独立GOフォームを作成し、Cd2 +、Pd2 +、Fe3 +の最大吸着容量はそれぞれ252.5、381.3、57.6mg / gでした。

Gao etal。グラフェンをドーパミンで還元することにより、3dグラフェンヒドロゲルを調製しました。グラフェンを還元しながら、ドーパミンはグラフェン表面を修飾しました。調製されたグラフェンは、重金属だけでなく、合成燃料や芳香族汚染物質に対しても優れた吸着性を示します。グラフェンは金属陽イオンだけでなく陰イオンも吸収できます。たとえば、グラフェンは水中のPO4-、ClO4-、F-を吸着できます。重金属陽イオンの固定吸着機構とは異なり、陰イオンはグラフェン上に構造を形成することで吸着されます。

Vilela etal。汚染された水中の有毒な重金属を浄化するために使用できるグラフェンベースのマイクロロボットを開発しました。テストによると、マイクロロボットは汚染された水中の鉛の95％を1時間以内に回収し、水中の鉛濃度を1.010-6から0.510-7に下げることができます。リードが化学的に分離された後、ロボットは再び使用できます。

グラフェンは重金属イオンの吸収性能に優れていますが、価格が高く、加工条件が未成熟であるため、重金属吸着の分野での大規模な応用は困難です。グラフェンの製造価格の低下とその吸着効果の向上により、グラフェンは下水への重金属イオン吸着の分野で大きな応用の見通しを持っているに違いありません。

グラフェンを触媒担体として用いた汚染物質の分解に関する研究

吸着は水中の汚染物質を除去することができますが、この技術は汚染物質を吸着することしかできず、水の真の浄化を達成するには、吸着された材料をさらに処理する必要があります。汚染物質の完全な沈降または除去は、触媒分解によって達成することができます。触媒による汚染防止は、低コスト、高効率、そして優れたアプリケーションの見通しを持っています。

グラフェンの巨大な比表面積と豊富な官能基は、優れた特性を備えており、触媒担体などの面で大きな可能性を秘めています。

結果は、担体としてグラフェンを用いて二酸化チタン/グラフェンから調製された光触媒によるローダミンBおよびメチレンブルーの分解速度が、紫外線下での純粋なTiO2の分解速度よりも有意に高いことを示した。金属酸化物/グラフェン複合材料は優れた光触媒効率を持っており、有機化合物の分解、重金属カチオンの還元、水の浄化を触媒することができます。グラフェン触媒はまた、下水のバクテリアを殺します。グラフェンと酸化タングステンのナノコンポジットは、優れた光触媒ファージ殺傷特性を示します。 TiO2 /グラフェン複合触媒も、線虫やeに悪影響を及ぼしました。光の下でコリ。

市場見通し分析

過去10年間で、グラフェンと、グラフェンベースの材料を環境保護に使用する方法に大きな進歩がありました。グラフェンのユニークな構造と優れた特性により、環境に優しい材料の性能が大幅に向上します。グラフェンはカーボンナノチューブやフラーレンと化学的に類似しているため、環境保護において同様の用途があります。したがって、環境保護の分野で使用する炭素材料の選択は、主にそれらの価格、加工性、および環境への影響に依存します。

この点で、GOは生のグラフェンに比べて比較的安価であるため、環境保護の分野で最初に適用される可能性があります。 GOの価格は、多層カーボンナノチューブの価格に匹敵します。これは、活性炭よりも高価ですが、単層カーボンナノチューブとCVDによって合成されたグラフェンよりもはるかに安価です。ただし、生産能力の向上とプロセスの最適化により、グラフェンベースの材料のコストは時間の経過とともに減少するはずです。ラボでのグラフェンの製造コストは、2012年の約4分の1にまで低下しました。グラフェンのコストが削減されたおかげで、グラフェンのダウンストリームアプリケーションは、研究だけでなく工業化においても飛躍的な進歩を遂げます。

グラフェンは水処理の分野で実りある研究成果を上げていますが、価格が高いため、多くの分野での応用は長い間研究段階にとどまります。

グラフェンの比表面積は非常に大きく、水中の重金属や染料を非常によく吸収することができます。環境保護の分野での吸着剤としてのグラフェンの適用は、工業化プロセスを開始します。現在、グラフェンは活性炭に比べて吸着性能は優れていますが、コストパフォーマンスが低く、経済的メリットもありません。グラフェン比表面積の理論値は2630m2 / gですが、通常品質のグラフェンでは1000m2 / gを超えることは困難です。ただし、市販の活性炭の比表面積は一般に800〜1000m2 / gであり、微孔性構造が発達しており、優れた吸着性能を備えています。したがって、さまざまな汚染物質を吸着するために、活性炭を高価なグラフェンに置き換える必要はないと思われます。

ただし、グラフェンには、活性炭やその他の材料に比べて比類のない利点があります。特殊な二次元構造と細孔径分布により、汚染物質の吸着効率が高くなっています。さらに、GOおよびrGO表面での官能基のさまざまな吸着メカニズム（静電、水素結合、ピオン-パイ結合、および疎水性）の相乗効果も、より優れた吸着効果をもたらします。

現在、多くの研究が水中のさまざまな重金属イオンへのグラフェンの吸着に焦点を合わせています。活性炭による重金属の吸着はグラフェンよりも悪いですが、この不足は信頼できる量で補うことができます。近年、多くの国内グラフェン原料メーカーが大量生産ラインを設置しています。下流への応用製品の開発により、グラフェンの製造コストが継続的に削減されるのは時間の問題であり、これは将来の下水処理の市場をリードするでしょう。

結論

グラフェン、特に行くと、比表面積が大きいだけでなく、その表面に、カルボキシル、ヒドロキシル、カルボニル、エポキシなどの多数の活性官能基、および多数の細孔欠陥があります。そのため、強力な吸着能力と環境中の重金属イオンや有機汚染物質を除去する優れた能力を備えています。同時に、グラフェンを吸着剤として使用する場合、その品質要件はそれほど高くないため、実用化の難しさが軽減され、将来の下水処理の分野で非常に重要な用途があります。世界各国はまた、特に世界最大の環境問題に直面して、グラフェン産業の発展を導くための政策を発表し、綿密な研究を継続し、グラフェンの大きな利点を発揮します。欠陥のあるグラフェンは完全ではなく、科学研究者はその内部の可能性を掘り起こし、その豊かさを変え、準備プロセスを改善して生産コストを削減します。グラフェンに基づいて、グラフェンは環境の除染、環境の浄化につながるはずです。将来の市場競争において徐々に支配的な地位を占めるでしょう。

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