2020年第23期广东化工
第47卷总第433期 · 85 · 氧化石墨烯材料在水处理中的研究进展 qq客服系统朱瑞龙，王玲燕，姚彬，张国辉，张玉荣，王丽莉，张文存
洗车管理系统(陕西省石油化工研究设计院，陕西西安710054)
[摘要]近年来，由于全球环境污染严重，水资源日益紧缺，而海洋水的储量巨大，因此海水淡化成为当今世界解决水资源紧缺的有效手段。氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，因其独特的二维纳米结构和丰富的含氧官能团，在水处理以及液态混合物分子分离应用中发挥着重要的作用，也因此在近年来引起了人们的广泛关注和研究。本文对氧化石墨烯分薄膜、气凝胶等具有水处理性能的材料研究现状和研究进展进行了综述，并对其未来的发展前景进行了展望。 [关键词]氧化石墨烯；膜；气凝胶；水处理
510669[中图分类号]X5 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2020)23-0085-02
Research Progress of Graphene Oxide Materials in the Application of Water
Treatment
Zhu Ruilong, Wang Lingyan, Yao Bin, Zhang Guohui, Zhang Yurong, Wang Lili, Zhang Wencun
(Shaanxi Petrochemical Research and Design Institute, Xi'an 710054, China)
Abstract: In recent years, due to the serious global environmental pollution, the increasingly scarce water resources, and the huge reserves of ocean water, seawater desalination has become an effective means to solve the shortage of water resources in the world today. As a derivative of graphene, graphene oxide plays an important role in water treatment and molecular separation applications of liquid mixtures due to its unique two-dimensional nanostructure and abundant oxygen-containing functional groups. People's extensive attention and research. In this paper, the research status and progress of materials with water treatment properties such as graphene oxide film and aerogel are reviewed, and their future development prospects are also prospected.
Keywords: Graphene Oxide；Membrane；Aerogel；Water Treatment
当今世界，水资源所面临的问题日益严重，其中主要包括因环境污染造成的清洁水资源的污染和短缺，这一问题严重制约着现代工业和社会的可持续发展，因此，水资源危机是21世纪人类可持续发展所面临的全球性挑战[1-2]。总所周知，海洋水资源覆盖地球水资源总量的96 %，但海水成分中由于包含大量的盐类物质而无法直接饮用；同时，海水中的盐分还对工业生产中的设备具有严重的腐蚀性，
因此海水在人们的生活和工业生产中的应用十分受限。此外，由于世界人口数量的日益增加，随之而带来的水资源污染等问题日益严重，这一原因导致适于引用的水资源正在不断减少。面临当今水资源短缺的严峻形势，除了节约用水，还可借助于适当的水处理方法将海水及污水进行提纯净化，最终将其转化为可直接引用的水。为了实现这一目标，传统的提纯方法如蒸馏、精馏等方法因其高能耗而已经无法满足人们的需求，因此，寻到低能耗、高效率的水处理方法变得越来越重要。近年来，氧化石墨烯(GO)作为一种新型二维纳米材料被广泛关注，其表面所含有的大量含氧基团如羧基、羟基、环氧基等为对GO进行化学修饰提供了有利的化学结合位点，使其较之于石墨烯而言不仅具有更易调控的表面化学性质，同时还赋予了GO良好的亲水性[3]。另外，其独特的二维结构赋予了GO巨大的比表面积，为将其应用在膜分离领域提供了结构基础[4]。基于上述诸多特点，使得GO在水处理应用中表现出其他材料难以替代的重要作用。
1 基于氧化石墨烯的水处理材料
所谓水处理，是指以适当的方法对水进行净化、提纯处理。即，将水中所含的杂质及污染物除去，以满足一定的水质标准的过程。目前，水处理所采用的方法主除了传统的蒸馏法以外，还有吸附法、离子交换法以及膜分离法等。其中，膜分离法因其低能耗、低成本、工艺简单、分离效率高等诸多优势而被广泛关注。以下对目前最为常用的几类氧化石墨烯基复合材料进行分别讨论。
1.1 氧化石墨烯分离薄膜
事实上，“膜分离”的概念早在上个世纪初期就已出现。早期的膜分离应用，主要针对水体中细菌的过滤，由于细菌微米级的尺寸，这种过滤还只处在所谓的“微过滤”阶段，换言之，早期的膜分离只能实现微米级的分离。然而，经过研究人员长期的探索，膜分离技术以及膜分离材料都已经得到了极大的改进，目前的膜分离技术已经可以成功实现海水脱盐、油水分离等各种污水体系的净化处理。然而，经过人们长期的研究发现，一方面，传统的用于膜分离的材料抗污染能力弱，导致薄膜难以重复利用。另一方面，由于膜材料本身的结构特点，通常得到的分离膜在水处理等液态体系的分离应用中存在着选择性和渗透通量之间难以调和的矛盾，即在分离应用中，高的渗透通量往往伴随着较低的选择性，反之亦然。针对膜分离中这一瓶颈问题，近年来，人们不断探索，到目前为止已有部分相关研究工作在一定程度上解决了膜分离应用中的选择性与渗透通量之间的这一矛盾，例如Lai 等[5]利用界面聚合法制备出一种具有高选择性和高通量的氧化石墨烯复合薄膜，他们首先利用聚砜薄膜作为基底，通过减压过滤法将GO纳米片沉积到聚砜基底膜上，再将单体(脂肪胺和芳香氯化物)通过聚合反应在GO膜表面形成一层聚酰胺层，经过最终的清洗得到GO纳米复合薄膜。实验结果表明，该GO复合薄膜对MgSO4以及NaSO4表现出很高的拦截效率，可分别达到96 %和98 %，并且与对应空白薄膜(未引入GO的薄膜)相比，渗透通量提高了32 %。Rao等[6]通过将金属有机骨架-GO复合材料同时沉积到聚砜薄膜上，成功得到了一种对Cu2+同时呈现出较高渗透通量和高的拦截效率的复合分离膜。此外，他们还利用该分离膜进一步对其他不同价态的盐溶液进行了分离实验，结果发现，在室温下(25 ℃)且溶液的pH=5时，该薄膜对Fe3+，Co2+，Ni2+，Pb2+，Cu2+等阳离子均呈现出一定的拦截效率。
1.2 GO气凝胶吸附材料
GO气凝胶是由石墨烯/氧化石墨烯纳米片，在一定反应条件下(如水热/溶剂热法)组装而成的一种宏观块体材料。GO的这种气凝胶宏观块体材料具有尺寸处于微米级的三维连续的孔道，这些孔道最终构成相互连通的三维网络结构，从而使材料具备高的孔隙率和高比表面积，因此，GO气凝胶材料能表现出优异的吸附性能。GO气凝胶作为吸附材料在水处理应用中具有操作工艺简单，生产成本低，所需能耗低等诸多优势，是一种目前被广泛应用的水处理方法之一。对于GO而言，一方面，其表面带有的大量的含氧官能团(羧基，羟基，环氧基等)，这些含氧基团赋予GO气凝胶材料良好的亲水性能；另一方面，其独特的二维结构表现出极高的比表面积；基于上述两个方面的重要原因，GO 为其吸附污染物提供了有利的条件。然而，GO气凝胶的三维组装大多以氧化石墨烯片层间的“面-面”堆叠的方式为主进行组装，在此过程中，以“面-面”间的π-π堆叠为主要的结合方式，而这种“面-面”堆叠的方式又不可避免地造成GO片层的比表面积损失，从这个角度而言，组装成宏观三维结构的GO气凝胶对其所具备的吸附性能是不利的，因此，如何设计新型的、具有高比表面积的GO气凝胶，仍是目前研究人员所面临的一个重要挑战。
研究人员以氧化石墨烯为原料，通过水热合成法得到了一种水凝胶材料，将该水凝胶经过冷冻干燥之后得到了一种具有三维
玻璃胶配方[收稿日期] 2020-10-12
[作者简介] 朱瑞龙(1984-)，男，宝鸡人，硕士研究生，主要研究材料化学。
广东化工2020年第23期· 86 · 第47卷总第433期
网络结构的超轻GO气凝胶，实验结果表明，这种GO气凝胶材料对水中的铬离子显示出极高的吸附能力[7]。当用把GO的水分散液的pH调至9，并向体系中引入适量的聚乙烯亚胺，然后在60 ℃水浴中加热8 h后，得到GO的水凝胶，再以去离子水浸泡清洗产物后，经冷冻干燥，最终得到的气凝胶产物在pH=2时，对甲基橙染料表现出很高的吸附性[8]。研究人员还通过GO与PVA 经化学交联，得到了PVA/GO的三维气凝胶。其不仅具有超低的密度和备良好的机械性能，还对亚甲基蓝水溶液中的亚甲基蓝显示出极高的吸附作用[9]。
1.3 GO太阳能水蒸发材料
太阳能水蒸发材料是一种重要的水处理材料，其工作原理是利用材料吸收太阳光，并利用产生的热能加速水的蒸发，再将蒸发后的水蒸气收集、冷凝，最终得到适于饮用的纯净水。研究表明，GO不仅能够高效地吸收太阳光，并且还具有较高的光热转换效率，同时，GO气凝胶材料高的孔隙率以及由众多含氧基团所赋予的亲水性，大大有利于水蒸汽喝水的传输效率，在这两个因素的协同作用下，使得水的蒸发速率以及净化效率得以大大提高[10]。研究人员将GO、MWCNT以及海藻酸钠的混合液经过冷冻干燥处理，并在真空、150 ℃经过12 h的热处理，最终得到一种超轻的GO气凝胶复合物。由于
其超轻的特性，该气凝胶复合物可以漂浮在水面上的同时吸收太阳光；并且，其良好的亲水性以及疏松的三维孔道能够快速传输水及水蒸汽，从而实现高效的水净化处理过程[11]。近年来，诸如此类的报道不断涌现，这也预示着GO在水处理以及环境问题中的应用越来越广泛。
2 总结
近年来，因世界人口增长以及水资源污染等因素造成的水资源短缺的问题已变得日益严重。GO因其本身的物理、化学结构特点，成为一种备受关注的二维材料。经过近年来研究人员的广泛关注和研究，已经证明GO以及复合材料在分离、吸附以及水蒸发材料等多个领域都呈现出优异的性能，成为了目前水处理领域最有前景的二维材料之一。另外，因其制备简单，原材料成本低，无毒等诸多优点，GO及其复合材料有望广泛应用与水处理应用中。
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(本文文献格式：朱瑞龙，王玲燕，姚彬，等．氧化石墨烯材料在水处理中的研究进展[J]．广东化工，2020，47(23)：85-86)
(上接第81页)
电导率的电解液难以获得。这是因为，电解液与负极金属镁和正极材料的不相容性。首先，类似LIB电解液并不适用于MIB，因为金属镁与ClO4-，BF4-等阴离子反应，会在镁金属表面形成钝化层，而且
镁离子无法穿过这层钝化层，导致了电池循环性能的不稳定。其次，电解液与金属镁负极稳定性有限。例如丁基氯化镁等基于格利雅(Grignard)的电解液，相对于镁仅有约1.3 V的负极稳定性，这就无法开发高压MIB，从而也限制了正极材料的选择。
5 结语
本文简介了镁离子电池正极材料、电解液研究进展以及镁离子电池缓慢发展的原因。镁离子电池的研究依然处于初级研究阶段，我们坚信在不断探索发掘新理论、新材料、新策略和新电池体系的研究下，镁离子电池在不久的将来会取得重大突破，造福社会。
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(本文文献格式：马超，李茂龙，丁一鸣，等．镁离子电池研究进展[J]．广东化工，2020，47(23)：81)
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