石墨烯和二硫化鉬在治理水污染方面研究進程

張海洋

（廣西大學 廣西 南寧 530004）

1 引言

水是人類生存和社會發(fā)展的重要自然資源。隨著社會的發(fā)展和工業(yè)的迅猛發(fā)展，水污染已成為嚴重威脅人類社會生態(tài)環(huán)境的全球性問題。自21世紀以來，納米技術(shù)的興起為水處理技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇。聯(lián)合國《2018年聯(lián)合國世界水發(fā)展報告》指出，全球?qū)η鍧嵥男枨笠悦磕?%的速度增長，并將在20年內(nèi)迅速增長，因此需要開發(fā)新技術(shù)和新資源。近年來，納米材料和技術(shù)的飛速發(fā)展為水處理技術(shù)和資源的開發(fā)開辟了新的發(fā)展機遇。本文主要介紹石墨烯和二硫化鉬納米片在水處理技術(shù)中的最新應(yīng)用研究。

2 二硫化鉬在水處理中的應(yīng)用

二硫化鉬主要具有以下三個結(jié)構(gòu)（圖1）：八面體1T相，三角棱柱2H相，三角棱柱3R相，1T相和3R相是亞穩(wěn)定的并且具有金屬性質(zhì)。如圖1所示，2H相具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)及顯示半導(dǎo)體的特性。類似于石墨烯，二維層狀二硫化鉬具有特殊的外觀是其剝落為多層或單層納米片時。

圖1 二硫化鉬結(jié)構(gòu)示意圖

Ball P等[1]報道他們使用真空過濾形成二硫化鉬膜，伊文思藍的去除率為89%，水流量為245L/m2·h·bar，比GO層狀膜高3～5倍。Wu R C[2]等使用壓力輔助過濾來創(chuàng)建分層的二硫化鉬薄膜在水中穩(wěn)定的原因（即二硫化鉬納米片之間的范德華力）是它們自身的靜電排斥力。GO膜傾向于在水中膨脹，并需要其他化學物質(zhì)來提供恒定的力來保持穩(wěn)定性。這也是二硫化鉬膜比GO膜非常重要的特征。同時，Borah L[3]等進行了有關(guān)納米過濾條件下二硫化鉬薄膜中離子和染料保留的研究。結(jié)果表明，完全干燥后制得的二硫化鉬層壓膜是不滲透的，距離為0.62nm，接近水分子水平上的最小孔徑。然而，當二硫化鉬膜完全濕潤時，各層之間的距離為1.2nm，并且某些離子和染料仍然保留。Li Z L[4]通過調(diào)節(jié)真空過濾壓力和過濾速率來松散地形成二硫化鉬膜。該膜顯示出混亂且不規(guī)則的層結(jié)構(gòu)。納米顆粒邊緣的狹窄通道只有約1.8nm，而堆積的納米顆粒之間的通道只有約8.9nm，這種結(jié)構(gòu)的二硫化鉬膜顯示出滲透性。較高的水（1430L/m2·h·bar）和有機溶劑的滲透性。對于數(shù)量（5000L/m2·h·bar）和尺寸大于1.9nm的染料，去除率超過90%。可以看出，在通過壓力過濾生產(chǎn)多層二硫化鉬薄膜中，外部壓力會影響褶皺尺寸，疊層以及納米二硫化鉬層之間的間距，如圖2所示。

3 石墨烯在水處理中的應(yīng)用

二維納米材料石墨烯具有由sp2混合碳原子構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)的單聲層。前人研究了聚醚砜（PES）和GO薄膜的輸水機理，由于膜中的高毛細管壓力，與壓力控制的滲透率相比，GO膜可以通過增加滲透過程中的有效面積來改善在滲透率表面的擴散。用簡單的浸涂和原位化學還原方法，發(fā)現(xiàn)IRGOPU海綿可快速有效地用于油和水的分離。高達99.6%的油水分離效率使其成為發(fā)生大量漏油的最佳油水分離材料。Geim A K[5]等首先獲得GO納米線和羥基銅。然后，通過真空過濾器組裝工藝來生產(chǎn)CHNs-GO納米復(fù)合膜。該膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和吸水性，高分離效率和優(yōu)異的防霉性能。油水乳狀液的分離效率可達到99%以上，在油水分離中應(yīng)用廣泛。還原石墨烯氧化物（rGO），Chong J Y[6]用于生產(chǎn)比表面積高達652m2/g的多孔石墨烯（PG）。這消除了對額外催化劑和模具的需求。PG易于使用，便宜且易于大量生產(chǎn)，PG具有疏水性，與油有關(guān)，并具有出色的選擇性。

圖2 從離子和有機染料中分離二硫化鉬膜的效率和機理

用分子模擬（分子動力學）研究Na+和Cl-的傳輸行為-表明使用多孔石墨烯膜可以有效過濾海水。帶負電荷的陰離子石墨烯可防止Cl-通過，并有助于Na+的傳輸。離子選擇的機制高度依賴于陽離子和陰離子濃度的差異。出色的實驗數(shù)據(jù)表明，基于石墨烯薄膜的MD膜在悉尼港的海水處理中顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的商用MD膜。使用乙二胺（EDA）作為添加試劑，乙二胺（EDA）是經(jīng)過地熱處理和冷凍干燥后生產(chǎn)的彈性石墨烯（GA）氣凝膠，GA已顯示具有出色的油和水選擇性，超高吸收（高達2.5×104mg/g）和出色的可回收性。另外，動力學和熱力學研究表明乳液中油對GA的重吸收過程是物理上自發(fā)的過程。研究表明，許多RGO/PC材料可以快速有效地吸收各種油和有機溶劑，例如油泵油，大豆苯，環(huán)己烷，四氯化碳（CCl4）和乙酸乙酯。如圖3所示，批量生產(chǎn)的RGO/PC可以在內(nèi)部快速，完全吸收環(huán)己烷和CCl4，結(jié)果非常清晰。這使我們看到大部分RGO/PC固體在水污染和油水分離方面具有廣闊的前景。

圖3 水中紅色油染成的環(huán)己烷（a1-a3）和CCl4（b1-b3）的分離結(jié)果

4 總結(jié)

近年來，石墨烯和二硫化鉬等新型2D納米材料由于其獨特的物理和化學性質(zhì)引起了許多領(lǐng)域科學家的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，這些二維納米材料和復(fù)合材料能夠從水中完全去除有機污染物、離子、重金屬，染料和其他污染物將其削弱。目前用于石墨烯和二硫化鉬納米顆粒的二維納米材料制造技術(shù)存在產(chǎn)量低、質(zhì)量低等問題，嚴重阻礙了進一步的應(yīng)用研究。二維納米材料的大規(guī)模、高質(zhì)量和高效率工藝的發(fā)展降低了使用水處理技術(shù)的成本，但這也會加快水處理技術(shù)的成本。正確混合合適的2D復(fù)合材料和有效的水處理是進一步研究的熱點。