三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的應用

黃志豪，柯秀裕，陳悅臻

（廣東職業技術學院，廣東 佛山 528041）

石墨烯作為由單層碳原子，以sp2 雜化形式構成的二維蜂窩狀晶體碳材料，具有獨特的物理化學性質的優良吸附能力[1]。其中以氧化石墨烯為主的石墨烯基材料能夠有效吸附廢水的有機污染物，但一般的石墨烯基材料的制備過程中都會產生大量污染物，并且在廢水處理過程中極易團聚，降低吸附效率。而本文講述的三維氧化石墨烯凝膠過濾材料運用特殊的工藝技術，使得三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的制備變得較為簡單化，減少在工藝上產生的污染，并提高吸附、抗團聚的性能，為水資源保護和凈化提供理論。本文主要講述三維氧化石墨烯凝膠過濾材料在水資源保護、凈化方面的應用。

1 氧化石墨烯作為吸附材料的優勢

三維氧化石墨烯凝膠作為一種碳納米材料，運用于水資源污染物吸附有得天獨厚的優勢，主要有以下幾個方面的優勢：①利用氧化石墨烯和殼聚糖都具有殺菌的特點，協同增效，保證了三維氧化石墨烯凝膠的水過濾效率；②有較強的截留微生物和抑制微生物生長的能力；③將吸附細菌后的三維氧化石墨烯凝膠經過pH2 的酸處理后清洗，在殺死并去除微生物后能使三維氧化石墨烯凝膠重復使用，減少了原材料的浪費；④該三維氧化石墨烯凝膠具有強穩定性，在使用過程中不會造成水體的第二次污染；⑤采用獨特的工藝，使得制備方法較為簡易、低污染并且使用成本低。

2 三維氧化石墨烯材料在水污染物中的抗菌、吸附

2.1 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料

石墨烯在理論上具有巨大的吸附容量，但片層石墨烯之間很容易發生堆積，從而使石墨烯吸附位點數變少，影響其容量，同時，石墨烯作為碳材料的疏水性使其在水中的分散性很差，難以直接用作水污染物的吸附劑[2]。因此，現一些學者通過改變或橋接一些官能團及衍生物從而改善其弊端，而三維石墨烯凝膠以石墨烯為原料，通過氧化法、超聲波、控制原料比及工藝條件，制備出結構形貌可控的高剝離度氧化石墨烯，再依次經過殼聚糖、溶膠化、冷干燥、封裝，得到三維氧化石墨烯凝膠。在結構上進行創新，通過構建三維氧化石墨烯凝膠和調控形貌來提高三維氧化石墨烯凝膠的截留效率、抑菌和牢固性（使用時不溶解）。可協同增效抗菌、反復使用，利用氧化石墨烯和殼聚糖的抗菌活性，協同增效。

2.2 對其工藝進行創新優化

經過氧化、超聲、殼聚糖接枝、溶膠化、冷凍干燥、封裝等關鍵技術應用，使三維氧化石墨烯凝膠制備變得較為簡單化，盡量在經濟、操作等方面，使三維氧化石墨烯凝膠的制備達到最優（技術路線圖1）。

圖1 技術路線圖

2.3 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的循環利用

將吸附細菌后的三維氧化石墨烯凝膠經pH2.0 的酸處理后清洗，殺死并去除微生物，從而使三維氧化石墨烯凝膠可反復使用。

3 在工廠儲水、家庭水塔、水資源運輸中的應用

3.1 現水資源存儲、運輸等出現的問題

自來水廠花費巨額資金凈化出來的優質飲用水，有時送達用戶前在水塔、水管、飲水機中又受到二次污染，使得自來水到達居民時的水質安全得不到保障。而長期飲用不潔凈的水，會導致人體消化道出現問題，甚至會引起傳染病、各種皮膚病、糖尿病、癌癥、結石病、心血管病等多種疾病，危害人體健康。例如，水中結核分枝桿菌引起結核，輪狀病毒和腸胃病毒可導致腸胃炎，藻類產生藻毒素，進入人體后會引起中毒，輕者引發腸胃炎，重者可以致人死亡。而市售家庭用凈水裝置對微生物只有過濾效果，長時間使用會滋生微生物，更換成本高，不易推廣，且更換時間點難以掌握。而在凈水裝置中加入抗菌劑，又會對飲用水造成污染。

3.2 石墨烯基材料的吸附作用

石墨烯基材料對無機污染物（如鎘、鉻、鉛、汞、砷、鋅等金屬離子以及硝酸根、磷酸根、氯離子等非金屬離子）的吸附作用主要依靠物理吸附、靜電引力、沉淀以及與材料表面官能團之間的化學作用[1]。自來水廠花費巨額資金凈化出來的優質飲用水，有時送達用戶前在水塔、水管、飲水機中又受到二次污染，使得居民飲用的水質安全得不到保障。傳統家庭用凈水裝置對微生物只有過濾效果，時間長了以后仍然會滋生微生物，且難以循環再生、更換時間點難以掌握，越來越不能滿足人們對健康飲水的需求。而在凈水裝置中加入抗菌劑，又會對飲用水造成污染，因此，迫切需要研發出一種既有過濾殺菌、又不對水體造成再次污染，且能多次使用的新的凈水材料。

3.3 三維氧化石墨烯凝膠過濾材料的性能與應用

氧化石墨烯具有大比表面積、多孔結構以及韌性[3]，可以更好的應用于水凝膠中。氧化石墨烯也在水凝膠中常常作為納米填料以增強水凝膠的性能，擴展水凝膠的應用[4]。而殼聚糖（CS）還具有抗菌抑菌的特性。早在1979 年，Allan 等[5]人就報道了殼聚糖具有抗菌效果，研究發現殼聚糖對于各種細菌以及真菌都具有抗菌活性。本文講述了通過氧化法、超聲波、控制原料比及工藝條件，制備出結構形貌可控的高剝離度氧化石墨烯，再依次經過殼聚糖、溶膠化、冷干燥、封裝，得到三維氧化石墨烯凝膠，研制出對飲用水（水塔水、水管積水、飲水機等）微生物污染進行在線過濾的可工業化應用材料，具有高效截留、抑菌、可循環再生的優點。

4 結論

三維氧化石墨烯凝膠，專門對飲用水中的微生物進行吸附后殺死微生物，并對飲用水不造成污染，具有高效截留、抑菌、可循環再生的優點，綜合運行成本低。該研究有利于發展一類新型飲用水過濾材料，為廣大居民飲用合格水、優質水提供可靠的保障，并提升我國飲用水處理方面的水平和國際競爭力，其市場容量大、前景廣闊。

5 展望

現階段需要解決三維氧化石墨烯凝膠比表面積怎樣提高的問題。雖然氧化石墨烯比表面積大，但易通過共軛發生堆積，嚴重影響其對微生物殺菌效果和水的透過效率。氧化石墨烯與殼聚糖的協同增效的良好抑菌效率是研究的關鍵，還需要進行完善實驗。防止水資源的二次污染是保護水資源重要手段，相信在石墨烯基材料的出現后的新時代中，通過殼聚糖接枝、溶膠化、冷凍干燥等科學手段，得到具有高效截留、抑菌、可循環再生的優點，綜合運行成本低。該研究有利于發展一類新型飲用水過濾材料。