¿Cómo funciona el tratamiento de agua de 'pirateo' con grafeno?

Con el crecimiento continuo de la población mundial y el agravamiento de la contaminación del agua, el tratamiento de aguas residuales ha atraído una atención sin precedentes. La gente está buscando activamente formas de tratar y utilizar las aguas residuales. Basado en las ventajas de una gran área de superficie específica, alta resistencia, buena estabilidad química, fuerte propiedad modificable y buena conductividad eléctrica, el grafeno no solo puede adsorber solventes orgánicos, metales pesados y otros contaminantes en el agua, sino que también actúa como un portador de catalizador para catalizar. la degradación de contaminantes en el agua. Por lo tanto, el grafeno se ha estudiado ampliamente como material de tratamiento de aguas residuales.

La descarga y descarga indiscriminada de aguas residuales industriales, basura doméstica urbana y fumigación con pesticidas han agravado la escasez de recursos de agua dulce, que ya son pocos y no pueden ser utilizados por la gente. Cada año, una gran cantidad de aguas residuales para la industria de protección ambiental de China genera una gran presión. La contaminación del agua es cada vez más grave, lo que hace que el tratamiento de aguas residuales reciba una atención sin precedentes.

La gente está buscando activamente formas de tratar y utilizar las aguas residuales. Basado en las ventajas de una gran área de superficie específica, alta resistencia, buena estabilidad química, fuerte propiedad modificable y buena conductividad eléctrica, el grafeno no solo puede adsorber solventes orgánicos, metales pesados y otros contaminantes en el agua, sino que también actúa como un portador de catalizador para catalizar. la degradación de contaminantes en el agua. Por lo tanto, el grafeno se ha estudiado ampliamente como material de tratamiento de aguas residuales.

Adsorción de grafeno de materia orgánica en agua.

El grafeno es el material más fino y duro del mundo. Fue descubierto en 2004.

Los materiales de grafeno se pueden utilizar para adsorber contaminantes orgánicos en el agua, como tintes orgánicos, hidrocarburos, petróleo crudo, pesticidas y algunas sustancias orgánicas naturales.

El profesor wang xiangke et al. llevaron a cabo una gran cantidad de experimentos para funcionalizar la superficie del grafeno con el grupo ácido sulfónico, lo que mejoró la dispersión del grafeno y, por lo tanto, mejoró la capacidad de adsorción del grafeno. Los resultados mostraron que la capacidad de adsorción del grafeno funcionalizado sobre naftaleno y naftol alcanzó 2,4 mmol / g. En comparación con los materiales bidimensionales que tienen una tasa de carga baja y pueden causar contaminación secundaria, los materiales tridimensionales se pueden reciclar fácilmente en la purificación de agua. La investigación muestra que la estructura tridimensional independiente es fácil de reciclar, lo que favorece el reciclaje de materiales. Esto no solo es una operación simple, sino que también reduce en gran medida el costo de recuperación, ya que la operación industrial real tiene un gran valor. El grafeno tridimensional no solo tiene una buena adsorción de colorantes orgánicos, sino que también tiene una alta capacidad de adsorción para varios tipos de aceite, lo que tiene un alto valor de utilización para la futura contaminación por hidrocarburos en el agua de mar.

El profesor Ruoff et al. grafeno esponjoso preparado mediante un proceso de formación hidrotermal; Luego, el material se usa para eliminar muchos productos comerciales del petróleo (incluido el queroseno, el aceite de bomba, la grasa y los disolventes orgánicos) del agua de mar artificial para probar sus propiedades de absorción de aceite. Los resultados mostraron que el material de esponja de grafeno absorbió 86 veces más aceite que su propio peso, excediendo la capacidad de absorción de aceite de cualquier otro absorbente común. A continuación, los hidrocarburos simplemente se vuelven a calentar hasta un 99%. A través de este proceso, la esponja de grafeno se puede regenerar y reutilizar más de 10 veces sin ninguna pérdida de rendimiento.

El profesor li haitao seleccionó fragmentos de grafeno con un tamaño de partícula de 500 nm y, a través de una tecnología física especial, los fragmentos de grafeno se enviaron a los poros de carbón activado y se adhirieron a la superficie interna, para aumentar la superficie específica del material de filtración y mejorar el efecto de filtración y desarrollar un material funcional: el tamiz molecular de grafeno y carbono. El material tiene una adsorción súper alta y es liviano, estable, resistente al calor, con una gran superficie específica e inofensivo para el cuerpo humano. En comparación con el carbón activado del mismo peso, la capacidad de adsorción es 20 veces mayor. Este material de tamiz molecular de grafeno y carbono se puede sintetizar en una membrana compuesta, que puede eliminar eficazmente los antibióticos en el agua potable.

El profesor liu zhaoping usó formamida como agente impulsor para preparar materiales de grafeno 3d dopados con nitrógeno con estructura de nanobobina mediante calentamiento ordinario. La eficiencia de eliminación del azul de metileno y la rodamina B alcanzó el 96,8% y el 94,6%, respectivamente. El canal helicoidal traído por el dopaje con nitrógeno es la clave para la difusión continua y eficiente de materia orgánica en la capa interna de grafeno.

El papel del grafeno en el tratamiento de la contaminación por metales pesados

El desarrollo irrestricto de la ciencia y la tecnología ha causado grandes daños al medio ambiente. Por ejemplo, la eliminación inadecuada de productos de desecho electrónicos ha causado contaminación por metales pesados en los cuerpos de agua. Debido a su gran superficie específica, el grafeno tiene un gran potencial en el campo de los adsorbentes.

Usando hidracina para reducir el óxido de grafito, Leng et al. rGO preparado que puede absorber espontáneamente antimonio metálico con una adsorción máxima de 7,463 mg / g. Pan y col. GO reducido con el disulfuro de urea industrial comúnmente utilizado, y el rGO producido podría adsorber espontáneamente el torio, combustible nuclear radiactivo, con una adsorción máxima de 0,21 mg / g. Debido a la pequeña cantidad de grupos funcionales en la superficie del grafeno, muchos investigadores modificaron y modificaron el grafeno y lo aplicaron a la adsorción de metales pesados, logrando un buen efecto de adsorción e incluso adsorción y remoción simultánea de una variedad de iones de metales pesados.

Wu y col. grafeno modificado con cetil trimetilamonio (CTAB) y encontró que el grafeno modificado podría adsorber espontáneamente el metal Cr con una capacidad máxima de adsorción de 21,57 mg / g. Mishra, como el uso de hidrógeno para hacer escamas de GO para obtener capas de grafeno y luego tratarlo con ácido nítrico, rico en grupos funcionales de superficie de grafeno, la funcionalización del grafeno se utilizará para el electrodo de supercondensador, no solo para lograr la eliminación del As y el Na. en agua, al mismo tiempo, la desalinización de agua de mar, la mayor cantidad de adsorción respectivamente As 142 mg / g (V), As (III) 139 mg / g, significativamente más alta que la de los nanotubos de carbono de paredes múltiples y el grafito reductor magnético óxido.

En comparación con el grafeno, el GO es más fácil de modificar porque tiene más grupos funcionales que contienen oxígeno y una fuerte hidrofilia, lo que también facilita la formación de complejos con metales, por lo que es más propicio para la adsorción de metales pesados en el agua. Además de una buena adsorción a metales pesados, GO también tiene una buena adsorción al elemento radiactivo uranio (VI).

Li y col. adsorbió uranio (VI) con una capa de nanohojas de GO, y los resultados mostraron que la capacidad máxima de adsorción de GO para el uranio (VI) era de 299 mg / gy el efecto de adsorción era significativamente mejor que el de rGO (47 mg / g). Similar al grafeno, la modificación de GO puede aumentar aún más el efecto de adsorción.

Madadrang et al modificaron GO con EDTA. El EDTA puede formar un agente quelante estable con el metal, por lo que tiene un buen efecto de adsorción. Según el modelo de Langmuir, la capacidad máxima de adsorción de go-edta en Pd2 + alcanza los 525 mg / g, casi 2 veces mayor que la de GO.

Además, el grafeno tridimensional no solo puede resolver el problema de la separación sólido-líquido como cuerpo macroscópico, sino que también tiene grandes ventajas en el rendimiento de adsorción. Lei y col. preparó una espuma de GO independiente tridimensional con una superficie específica de 578,4 mg / g, y su capacidad máxima de adsorción para Cd2 +, Pd2 + y Fe3 + fue de 252,5, 381,3 y 57,6 mg / g, respectivamente.

Gao y col. preparó un hidrogel de grafeno 3d reduciendo el grafeno con dopamina. Mientras reducía el grafeno, la dopamina modificó la superficie del grafeno. El grafeno preparado no solo tiene una buena adsorción de metales pesados, sino también de combustibles sintéticos y contaminantes aromáticos. El grafeno no solo puede absorber cationes metálicos, sino también aniones. Por ejemplo, el grafeno puede adsorber PO4-, ClO4- y F- en agua. A diferencia del mecanismo de adsorción fijo de los cationes de metales pesados, los aniones se adsorben formando una estructura en el grafeno.

Vilela y col. desarrolló un micro-robot basado en grafeno que puede usarse para limpiar metales pesados tóxicos en agua contaminada. Las pruebas muestran que el micro-robot puede recuperar el 95% del plomo en aguas contaminadas en una hora, reduciendo la concentración de plomo en las aguas de 1,0 10-6 a 0,5 10-7. Una vez que el cable se separa químicamente, el robot se puede volver a utilizar.

Aunque el grafeno tiene un excelente rendimiento en la absorción de iones de metales pesados, es difícil aplicarlo a gran escala en el campo de la adsorción de metales pesados debido a su alto precio y las condiciones inmaduras del proceso. Con la disminución del precio de preparación del grafeno y la mejora de su efecto de adsorción, el grafeno seguramente tendrá una gran perspectiva de aplicación en el campo de la adsorción de iones de metales pesados en las aguas residuales.

Investigación sobre la degradación de contaminantes utilizando grafeno como transportador de catalizador

Aunque la adsorción puede eliminar los contaminantes del agua, esta tecnología solo puede adsorber los contaminantes, y para lograr una verdadera purificación del agua se requiere un tratamiento adicional de los materiales adsorbidos. La sedimentación total o la eliminación de contaminantes se puede lograr mediante degradación catalítica. El control de la contaminación catalítica tiene un bajo costo, una alta eficiencia y una buena perspectiva de aplicación.

La enorme superficie específica y los abundantes grupos funcionales en la superficie del grafeno le confieren excelentes propiedades, lo que le confiere un gran potencial como portador de catalizadores y otros aspectos.

Los resultados mostraron que la tasa de degradación de la rodamina B y el azul de metileno por el fotocatalizador preparado a partir de dióxido de titanio / grafeno con grafeno como portador fue significativamente mayor que la del TiO2 puro bajo luz ultravioleta. Los compuestos de óxido de metal / grafeno tienen una excelente eficiencia fotocatalítica, que puede catalizar la degradación de compuestos orgánicos, la reducción de cationes de metales pesados y la purificación del agua. Los catalizadores de grafeno también matan las bacterias en las aguas residuales. Los nanocompuestos de grafeno y óxido de tungsteno exhiben buenas propiedades fotocatalíticas de destrucción de fagos. El catalizador compuesto de TiO2 / grafeno también mostró efectos adversos sobre los nematodos y e. coli bajo luz.

Análisis de perspectivas de mercado

En la última década, ha habido grandes avances en el grafeno y en cómo los materiales a base de grafeno se pueden utilizar para la protección del medio ambiente. La estructura única y las excelentes propiedades del grafeno mejorarán significativamente el rendimiento de los materiales respetuosos con el medio ambiente. Debido a que el grafeno es químicamente similar a los nanotubos de carbono y los fullerenos, tendrá aplicaciones similares en la protección del medio ambiente. Por lo tanto, la elección de qué materiales de carbono utilizar en el campo de la protección ambiental depende principalmente de su precio, procesabilidad e impacto en el medio ambiente.

En este sentido, dado que el GO es relativamente barato en comparación con el grafeno crudo, es probable que sea el primero en aplicarse en el campo de la protección del medio ambiente. El precio de GO es comparable al de los nanotubos de carbono de paredes múltiples, que es más caro que el carbón activado, pero mucho más barato que el grafeno sintetizado por nanotubos de carbono de pared simple y CVD. Sin embargo, debido a la mayor capacidad de producción y la optimización del proceso, el costo de los materiales a base de grafeno está destinado a disminuir con el tiempo. Los costos de producción de grafeno de laboratorio se han reducido a aproximadamente una cuarta parte de lo que eran en 2012. Gracias a la reducción del costo del grafeno, la aplicación posterior del grafeno logrará un gran avance en la industrialización y la investigación.

Aunque el grafeno ha obtenido resultados de investigación fructíferos en el campo del tratamiento del agua, debido a su elevado precio, su aplicación en muchos campos permanecerá en fase de investigación durante mucho tiempo.

La superficie específica del grafeno es enorme y puede absorber muy bien metales pesados y tintes en agua. La aplicación de grafeno como adsorbente en el campo de la protección del medio ambiente iniciará el proceso de industrialización. En la actualidad, aunque el grafeno tiene un excelente rendimiento de adsorción, en comparación con el carbón activado, tiene un rendimiento de bajo costo y ningún beneficio económico. El valor teórico del área de superficie específica del grafeno es de 2630 m2 / g, pero es difícil superar los 1000 m2 / g para el grafeno de calidad ordinaria. Sin embargo, la superficie específica del carbón activado comercial está generalmente entre 800 ~ 1000m2 / g, con una estructura microporosa desarrollada y un excelente rendimiento de adsorción. Por lo tanto, parece innecesario reemplazar el carbón activado con grafeno costoso para la adsorción de varios contaminantes.

Sin embargo, el grafeno tiene ventajas incomparables sobre el carbón activado y otros materiales. Debido a su estructura bidimensional especial y la distribución del tamaño de los poros, tiene una mayor eficiencia de adsorción de contaminantes. Además, los efectos sinérgicos de varios mecanismos de adsorción (electrostáticos, enlaces de hidrógeno, enlaces pion-pi e hidrófobos) de los grupos funcionales en las superficies GO y rGO también producen mejores efectos de adsorción.

En la actualidad, muchos estudios se centran en la adsorción de grafeno en varios iones de metales pesados en el agua. Aunque la adsorción de metales pesados por el carbón activado es peor que la del grafeno, esta deficiencia puede compensarse con una cantidad confiable. En los últimos años, muchos fabricantes nacionales de materias primas de grafeno han establecido líneas de producción en masa. Con el desarrollo de productos de aplicaciones posteriores, es solo cuestión de tiempo antes de que el costo de producción del grafeno se reduzca continuamente, lo que liderará el mercado del tratamiento de aguas residuales en el futuro.

conclusión

El grafeno, especialmente el go, no solo tiene una gran superficie específica, sino que también tiene una gran cantidad de grupos funcionales activos en su superficie, como carboxilo, hidroxilo, carbonilo, epoxi y una gran cantidad de defectos de poros. Por lo tanto, tiene una gran capacidad de adsorción y una buena capacidad para eliminar iones de metales pesados y contaminantes orgánicos en el medio ambiente. Al mismo tiempo, cuando se utiliza grafeno como adsorbente, sus requisitos de calidad no son muy altos, lo que reduce la dificultad de aplicación práctica y tendrá aplicaciones muy importantes en el campo del tratamiento de aguas residuales en el futuro. Los países de todo el mundo también han emitido políticas para guiar el desarrollo de la industria del grafeno, especialmente frente al principal problema ambiental del mundo, continuarán llevando a cabo investigaciones en profundidad, darán juego a las enormes ventajas del grafeno. El grafeno defectuoso no es perfecto, y el personal de investigación científica está excavando su potencial interno, haciendo su exuberante giro, mejorando el proceso de preparación para reducir los costos de producción, sobre la base del grafeno, el grafeno está destinado a liderar la descontaminación ambiental, el ambiente purificador, ocupará gradualmente la posición dominante en la futura competencia del mercado.

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