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600436股吧_氧化石墨烯治理重金属污染(2014-08-02)


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  氧化石墨烯治理重金属污染:解决老问题的新材料
  “中国人体是元素周期表!”

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  这种嘲笑虽然言过其实,但生动地表达了中国人对重金属污染的担忧。2005年福建省珠江、紫金河水体中镉的污染也是一个严重的警示,对美国的污染提出了更高的标准。
  目前,活性炭、沸石、交换树脂等常用于水资源中重金属的处理。然而,成本较低的活性炭和沸石吸附能力较差,吸附能力强的树脂和碳纤维价格昂贵。近日,《科技日报》记者从力特纳米科技有限公司了解到,由公司“千人计划”海外专家侯世峰博士团队自主研发的新型氧化石墨烯材料,有效解决了吸附能力与成本的矛盾。

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  吸附能力:活性炭的10倍以上

  石墨烯作为从石墨中分离出来的单层碳表面材料,实际上是碳的二维结构。石墨烯成名的时间并不长:2010年,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃·肖恩·洛夫凭借“在二维石墨烯材料方面的开创性实验”获得诺贝尔物理学奖。
  石墨烯虽然起步较晚,但历史悠久。它是世界上最薄的材料,强度最高的材料,也是世界上最好的导电材料

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  近年来,石墨烯材料因其优异的吸附性能,在水处理领域得到了新的应用。2012年初,安德烈·海姆教授发现,石墨烯氧化物薄膜可以屏蔽除水以外的所有其他分子。洛克希德·马丁公司花费大量资金开发了基于石墨烯材料的海水淡化装置。石墨烯材料有望在海水净化和污水处理中发挥重要作用。目前,美国等国在这一领域也取得了很大进展。针对我国重金属污染物的现状和存在的问题,侯世峰博士自主研发了一种用于环境重金属治理的新型石墨烯氧化物材料,这也是世界首创。
  氧化石墨烯是以天然石墨为原料制备的一种结构类似于碳纳米管的碳纳米材料。侯世峰告诉科技日报记者,与活性炭、碳纳米管和石墨烯材料对低浓度含铅废水的吸附能力相比,氧化石墨烯对铅的吸附能力高达800mg/g,远高于活性炭的60-120mg/g;同时,氧化石墨烯具有极强的再生能力,经过反复的吸附/洗脱循环后,吸附能力仅下降5-10%。

  为什么氧化石墨烯对重金属有如此强的吸附能力?原因有两个:一是氧化石墨烯是一种单原子层厚度的二维结构纳米材料,其比表面积理论上可以达到2600平方米/g,是所有碳纳米材料中最大的;二是在氧化石墨烯的制备过程中,其表面形成了大量的活性基团,如羧基、羰基、羟基、环氧树脂等。因此,氧化石墨烯具有优良吸附剂所需的最基本元素:足够大的比表面积和足够高的表面官能团密度。

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  侯世峰介绍,采用氧化石墨烯材料,可将铅酸蓄电池行业废水浓度由目前的1001000ppb降低到110ppb,铅回收率提高到95%99%,与现有工艺相比,铅环境排放总量减少90%。记者了解到,这一成果可有效推广到镉、镍、砷、铜、铬、放射性元素等重金属污染系统,具有可观的经济效益和社会效益。
  可塑性:性能可定制

  侯世峰告诉记者,利用氧化石墨烯纳米材料对水中有毒重金属的吸附机理,从重金属与氧化石墨烯官能团的相互作用机理、氧化石墨烯表面结构对吸附容量的影响、吸附动力学及机理、吸附机理等方面进行了研究并对氧化石墨烯的解吸特性进行了研究,可以有效地确定氧化石墨烯的吸附性能。

  以Lite纳米材料科技有限公司成熟的氧化石墨烯功能化技术为例,通过功能化反应在氧化石墨烯表面引入官能团。这些基团与树脂、活性炭、碳纳米管等碳纳米材料结合后,对重金属表现出良好的吸附特性,对铅、镍、铜等重金属离子的吸附能力显著提高。
  通过对氧化石墨烯表面特定基团的引入和表面分子的设计,将进一步提升氧化石墨烯材料的吸附特性,可以有效应对水污染事件处理中的具体问题。记者了解到,“升级版”氧化石墨烯材料对金属离子的快速吸附特性大大增强(吸附饱和可在20分钟内完成),有效解决了突发重金属污染事件所需的快速处理问题。而且,这些吸附剂洗脱重金属后可重复使用,其综合经济成本低于传统沉淀法和传统炭基吸附剂,解决了操作成本高的问题。更重要的是,吸附的重金属经洗脱后可以完全回收,彻底解决重金属泄漏处理后的二次污染问题。

  你可能认为这样一种强大的新材料一定很贵,但事实并非如此。侯世峰告诉记者,这也是我们一直怀疑的地方。事实上,虽然优质石墨烯价格昂贵,但Lite纳米功能化氧化石墨烯的制备成本相当于螯合树脂,但吸附容量却高出25倍以上。因此,综合运营成本仍然具有竞争力和可接受性。
  高性价比为氧化石墨烯材料的市场推广提供了“垫脚石”。“我们现在正计划与需要治理重金属污染的企业合作,建立标准氧化石墨烯材料的深度处理体系和示范装置,实现无毒排放,进一步开发实用体系。同时,重金属污染土壤的修复技术应开发侯世峰向记者透露。

  石墨烯产业化需要突破几个瓶颈
  作为我国石墨烯及其相关材料制备与应用市场化发展的先行者,Lite纳米产品包括石墨烯/氧化石墨烯的制备及相关市场化发展。虽然在一些领域取得了进展,但侯世峰非常清楚,作为一个新兴产业,我国石墨烯的产业化始于2011年初。目前,石墨烯的生产普遍存在成本高、技术不成熟、产品不稳定等问题。要真正促进石墨烯的发展和烯烃工业的可持续发展,必须提高技术水平,实现高质量石墨烯的规模化、低成本生产。

  “质量控制的石墨烯对其后续应用非常重要。石墨烯的层数、纯度、尺寸、厚度和缺陷都会影响其性能。例如,石墨烯片的微小差异会对它们的电子和光学性质产生不同的影响。侯建华说:“纳米的概念是首先解决石墨烯产品均匀性控制等主要问题,然后充分发挥其实际应用潜力。”
  侯世峰告诉记者,力特纳米材料股份有限公司利用自身的技术储备,不断探索高通量、多层次、跨尺度集成设计、高效制备和表征材料的新方法和新技术,开发复合材料、能源和材料的石墨烯设计数据平台从而实现对石墨烯材料组成、结构和性能的精确控制。发展绿色、无污染的石墨烯制备技术,可以实现石墨烯环保、低污染、低能耗、高收率的工业化生产;设计原创石墨烯能源材料和复合材料;开发重金属治理环境污染的材料;开发具有创新性和前瞻性的新型石墨烯材料。

  “坚持成熟的理论和设计理念是石墨烯产业化发展的关键。”侯世峰说。(科技日报滕继普刘媛媛)

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