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石墨烯薄膜|面向废水深度净化

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每日科技界 2021-03-02 19:22

随着人类社会的飞速发展,水资源的利用程度日益提升,水资源短缺问题受到了人们的广泛关注。工业生产过程会消耗大量的洁净水,并相应排出大量难降解废水,出于经济方面的考虑,这些废水的处理方法仍以生物处理为主。

然而,生物处理出水中会残余一定量的有机物,出水有机物中包括有难降解物质、降解残余物、中间产物、终产物、复杂的有机物,以及溶解性微生物代谢产物,这些有机物中的一部分在后续氯化消毒过程中可被转化为消毒副产物,与其他难降解的毒性组分一起排放到环境中,会带来水污染及其他水环境问题。因此工业废水深度净化与资源化对于提升我国水环境质量、缓解我国水资源短缺具有重要意义。

氧化石墨烯薄膜的特点

膜过滤技术是一种污水处理及深度净化回用技术,具有出水水质好、能耗低、占地小、副产物少、易于升级改造等诸多优点,已逐渐成为该领域的主导技术。

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01氧化石墨烯薄膜研究热潮的伊始

2012 年,科研人员通过模拟计算预测具有10%孔隙率的纳米多孔石墨烯膜可以在保持有效的盐离子排斥率下,使膜的过水通量比传统反渗透膜高出 2~3 个数量级,达到。该发现展示了石墨烯膜远超出普通滤膜的优异性能,引起了全球范围内关于石墨烯膜的研究热潮。

02氧化石墨烯膜的性能特点

氧化石墨烯通过堆叠纳米片形成层状结构,为小分子通过提供路径。尺寸排阻、电荷排斥等是氧化石墨烯膜对水合离子的主要筛分机制。尺寸小于氧化石墨烯纳米通道的离子在氧化石墨烯膜中渗透速度比简单扩散快。水合半径大的离子则被石墨烯层与层之间的通道阻断。因此,通过控制氧化石墨烯纳米片间的层间距,可实现对工业废水中水合离子的精确筛分。

03氧化石墨烯膜污染控制

对于氧化石墨烯膜来说,由于氧化石墨烯具有巨大的比表面积、丰富的 π 键、大量的含氧官能团而且未氧化区域有较强的疏水性,可能会通过疏水作用、π-π 作用和静电作用吸附有机污染物形成致密的凝胶层。有机污染的持续累积可能会堵塞氧化石墨烯膜的水渗透通道,从而引起水通量的下降。工业废水中除了含有大量有机物外,通常含有一定浓度的二价或高价的金属离子。这些金属离子可通过静电相互作用或者配位架桥作用与膜表面的官能团及其它有机污染物的羧基官能团相结合,引起有机/金属离子的复合污染。随着膜表面金属离子浓度的提高,表面架桥作用会增强,并吸附更多的有机污染物。

此外,虽然氧化石墨烯被证实具有较强的抗菌性,但由于膜污染初始阶段以有机污染为主。这导致了膜表面形成了一层凝胶污染层,使细菌不能与氧化石墨烯直接接触,从而使细菌得以生长造成生物污染。因此,最理想控制策略是在保持原有渗透性和截留率的同时,有效解决上述膜污染问题,使氧化石墨烯膜能经济、高效且稳定地应用于工业废水的深度净化与回用。

04氧化石墨烯膜在工业废水深度净化中的应用方式

考虑到氧化石墨烯膜的性能特点及不同工业废水的处理及回用需求,将氧化石墨烯膜与生物处理装置联用以实现工业废水的深度处理与回用,可能是氧化石墨烯膜的应用方向。

为发挥生物处理的核心作用,受 MBR 工艺启发,笔者将具有选择性作用的膜分离工艺与生物处理反应器联用(见下图)。这是一种生物反应器-膜分离系统的耦合工艺。该工艺可将经过厌氧/好氧处理废水中的有机污染物通过氧化石墨烯膜截留形成有机浓水,截留得到的有机浓水再回流到生化处理段。通过加入氧化剂产生微量的羟基自由基以调谐氧化石墨烯膜表面的官能团,增强膜表面对水分子的吸附,从而在膜表面形成牢固的水分子层来阻挡有机污染物的粘附,并避免凝胶层形成,最终有效控制了膜污染的出现。生化-氧化石墨烯膜耦合工艺有望为氧化石墨烯膜在工业废水深度净化中的应用提供技术支持,并进一步推动难降解工业废水的达标排放及回用技术的发展。

总结与展望

氧化石墨烯具有抗氧化性良好、制备成本低廉、过滤及截留性能优异、膜污染控制相对方便等诸多优异的性能。基于这些特性,氧化石墨烯膜有望在工业废水的深度处理与回用中得到应用。

目前,氧化石墨烯膜制备及膜污染控制方面的基础研究已趋于成熟。随着应用放大研究的进一步推进,氧化石墨烯膜有望在不久的将来应用于废水的深度净化中,为工业及园区污水的深度净化及资源化提供新路径。

公众号:石墨烯研究院

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