开发泡沫以改善石墨烯的水过滤性能

虽然石墨烯基物质是一种潜在的吸附剂材料，但由于聚集引起的劣化以及对其孔隙率和尺寸缺乏控制，它们在消除药物污染物方面的性能受到限制。发表在《Advanced Sustainable Systems》杂志上的一篇论文报道了由高孔隙率复合泡沫支撑的独特石墨烯材料的形成，以对抗聚集。

新型石墨烯基泡沫复合材料作为高反应性过滤介质，用于从（废水）水中有效去除吉非罗齐。图片来源：3DStach/Shutterstock.com

医药品对环保产品的贡献增加

药品是水系统中最突出的新兴污染物（EC）之一。它们可能导致严重的环境后果以及潜在的健康问题。

为了成功地从加工废水流中根除环保电路，污水和饮用水净化设施必须采用适当的三级处理方法。

吸附 – 水处理的首选方法

吸附被认为是水处理中具有巨大潜力的技术。与反渗透，氧化，微滤，超滤和离子交换等相比，这是一种可靠，更便宜的方法。

采用吸附处理废水最明显的好处是程序简单，各种吸附剂材料供应充足，成本效益以及去除大多数类型的污染物（如生物，无机/有机或不溶/可溶）的能力。

不幸的是，用于水处理的吸附方法确实存在一定的实际限制，最明显的是缺乏用于各种EC的大容量吸附剂材料。石墨烯基物质的性能优于所探索的许多其他潜在吸附剂材料，在这方面显示出令人鼓舞的有效性。

石墨烯基材料的优缺点

石墨烯和氧化石墨烯（GO）由于其较大的先天比面积（相对于许多不同的碳质物质），润湿性，单层结构以及装饰有含氧官能团（OCFG）的表面，对天然污染物具有较大的吸附倾向。

尽管多孔石墨烯（PG）对各种新兴污染物具有最佳的吸附性能和一致的可重用性，但将这些石墨烯基材料（GBM）从水中分离出来的问题，以及它们有限的可重用性，限制了它们在大规模水处理中的实际实施。

使用它们的另一个重大障碍是其板材之间的结块。重新堆叠允许这种团聚将石墨烯基材料恢复到其基本源材料（石墨） 中。

柱式过滤器设置示意图（左）和40 mm ID吸附柱过滤器的照片（右）。© Khalil， A.M.， Han， L. et al. （2022）.

制备用于支持石墨烯的泡沫

通过表面改性实现功能化被认为是制备泡沫以处理废水的有用方法。最近利用各种策略来提高硅藻土泡沫的吸附效果。不幸的是，这些程序相当复杂，产生了大量的温室气体排放。

氮化硼（BN）具有许多卓越的品质，包括优异的热稳定性和化学稳定性以及优异的耐磨性;因此，它被用于高温环境和其他行业。

证明泡沫的物理性质（轻度和强度）：a）将准备好的泡沫放置在植物叶子上，以及b）泡沫材料可承受其自身重量约1340倍的标准圆柱形重量。© Khalil， A.M.， Han， L. et al. （2022）.

研究的重要发现

本研究在批量测试和色谱柱调查中，将还原的多孔GO纳米膜有效锚定在带状BN泡沫上，用于处理吉非罗齐（GEM）污染的水。

石墨烯基泡沫在对吉非罗齐的吸附动力学方面优于其基于石墨烯的竞争对手，如GO，PG和纳米石墨烯片（NGP），仅在五分钟内提取效率为90%。

关于寿命，由BN泡沫支撑的石墨烯基纳米材料在回收多轮时表现出一致的吉非罗齐药物提取效果，而没有显着的吸附损失。此外，泡沫材料表现出突出的特点，包括孔隙率超过98%的轻便性以及出色的强度，能够承受自身重量的1300-1400倍。

在过滤活动中，泡沫填充吸附柱过滤器超过了处理吉非布罗齐水性混合物的砂滤器为基础的超声多孔石墨烯纳米片。为了模拟消除GO/BNF过滤材料内部新出现的污染物的测试结果，开发了一种计算一维溶质运输框架。

结论

固定床系统的充分构建和验证在很大程度上取决于选择合适的多孔介质，可以是填充柱材料或响应区材料，以及平流- 分散- 延迟特性的精确实验测量。

基于石墨烯的用于过滤目的的增强复合泡沫将是水和废水过滤技术向前迈出的重要一步。这些结果表明，可能很容易制造出具有高孔隙率泡沫增强石墨烯纳米材料过滤器，其相互作用持续时间较短，用于处理水和废水的突破期较长。

参考

哈利勒，A.M.，Han，L.等。（2022）. 新型石墨烯基泡沫复合材料作为高效去除（废水）水中吉非罗齐的高活性过滤介质.先进的可持续系统。可在以下位置使用： https://doi.org/10.1002/adsu.202200016