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（中國粉體技術網/班建偉）膨脹石墨是制造柔性石墨的中間產品，是由天然鱗片石墨經化學或電化學插層處理、水洗、干燥、高溫膨化制得的。膨化之后的石墨呈蠕蟲狀，由于天然鱗片石墨沿微晶C 軸方向膨脹數十倍到數百倍，從而在膨脹石墨內部和表面形成許多微小的孔，使表面積大大增加，因此其可作為良好的吸附材料。 膨脹石墨作為天然石墨的深加工產品之一，具有石墨的耐高低溫、耐腐蝕、耐輻射、潤滑性能好、高導熱導電等優(yōu)異性能，而且由于體輕多孔，質地柔軟，還具有良好的吸附性、黏結性好、隔音隔熱性好、良好的壓縮回彈性和密封性等一系列新的優(yōu)異性能，已在環(huán)境保護、化工催化、新能源、航天、機械、冶金、電力、生物醫(yī)學、復合材料、軍事、原子能、石油化工等領域中廣泛應用。 由于膨脹石墨具有上述優(yōu)良的特性，尤其是具有環(huán)境協(xié)調性、良好吸附性、無毒無害性、生物相容性等特性，作為環(huán)境友好型環(huán)保材料的研究已成為國內外研究熱點。目前，其在水環(huán)境修復、廢水、廢氣的治理領域中得到了廣泛的應用與研究。該研究對膨脹石墨在以上三方面的應用進行了綜述和展望。 1 膨脹石墨在油污染環(huán)境修復方面的應用 20 世紀80 年代初，日本學者指出膨脹石墨可以從海洋、河流和廢水中除去油類及有機成分。20 世紀90 年代，以色列科學家指出，蠕蟲狀膨脹石墨具有從水中吸附各類油品的性能，既可以作吸附劑，也可做成墊板狀介質、氈狀介質、水柵欄和作為過濾介質進行吸附處理。1997 年，日本福岡近海油輪泄漏，圍油后用多孔材料包覆膨脹石墨自水中浮升到水面吸附溢油，取得了很好的清除油污效果。Toyoda 等國外學者證明膨脹石墨對重油也有良好的吸附能力，通過簡單的真空抽濾，膨脹石墨中吸附的重油被釋放并被回收，回收率達到60%以上，回收的重油品質不變，抽濾后的膨脹石墨仍保持一定的吸油能力。 20 世紀90 年代，曹乃珍等、周偉等、任京成等、康飛宇等、沈萬慈等開始了以膨脹石墨為吸附劑對水面各類有機油類的吸附處理研究，研究表明，膨脹石墨對水中油類具有良好吸附能力，主要可應用在溢油的處理和含油廢水吸附等方面。膨脹石墨作為新型吸油材料，在處理水面浮油和水中微量油時比傳統(tǒng)吸附材料，如聚氨酯泡沫、活性炭和棉花等，具有更優(yōu)良的性能，經濟效益和環(huán)境效益顯著。在處理海面油泄漏時，可將其加工成塊狀或用其他材料將其包埋起來，同時膨脹石墨吸附油類后可進行活性再生，實現(xiàn)了循環(huán)再利用。膨脹石墨的非極性性質決定了對油類選擇性吸附的特點，同時具有較大比表面積和較強表面活性，膨脹石墨獨特的四級孔結構，如大孔、超大孔結構，是引起膨脹石墨具有大吸油量的本質原因，纏繞空間和內孔儲油空間也是其具有超大吸附能力原因之一。 同時，一些學者對膨脹石墨吸附油品后的再生及油品回收等方面問題進行了研究，證明了真空抽濾法是一種安全、經濟、高效的再生方法，該法使膨脹石墨擁有高的脫油率和再生效率，可以回收由于泄漏而損失的油品。針對膨脹石墨易破碎、難于投放與回收等問題，研究人員用吸油性較好的膨脹石墨與其他材料復合制成復合材料。 劉宏認為吸油氈和膨脹石墨復合使用，復合后材料吸油量提高了近300%，并解決了膨脹石墨難于投放和回收的問題。王勇等的研究表明膨脹石墨－酚醛樹脂基活性炭復合材料具有低密度、質輕、高化學穩(wěn)定性和無毒的特性，利用其優(yōu)異的吸油、過濾的特性，可有效地處理含油污水，回收污油，清除污油對環(huán)境的危害。陳希認為膨脹石墨基炭/炭復合材料對各種純油品、水面漂浮油品以及水中低含量的乳化狀態(tài)的食用油均具有較好的吸附能力，有機溶劑清洗法對吸附油品后的膨脹石墨基炭/炭復合材料具有較好的脫除與再生效率。 2 膨脹石墨在廢水處理方面的應用 2.1 在印染廢水處理方面 隨著我國印染行業(yè)的發(fā)展，我國工業(yè)廢水排放量的35%來自于印染行業(yè)，染料工業(yè)產生大量的染料廢水，具有色澤深、成分復雜、濃度高等特點，排入環(huán)境中對生態(tài)環(huán)境具有很強毒害作用，其中色澤污染最為嚴重，因而染料廢水的脫色是研究人員關注的焦點。 科研人員將膨脹石墨應用在印染廢水的處理中，取得了良好的效果。李冀輝等、楊麗娜、劉淑芬等以膨脹石墨為吸附劑，對分別含活性染料( 活性艷紅K-2BP、活性嫩黃K-4G、活性艷紅X-3B) 、酸性染料( 酸性媒介深黃GG、酸性嫩黃2G) 、直接染料( 直接大紅4B、直接耐酸大紅4BS、甲基橙) 等不同染料廢水的吸附脫色作用、影響因素及其脫色機理等方面進行了研究，結果表明膨脹石墨對各種染料的脫色率均在70%以上。其中對酸性媒介深黃GG、酸性嫩黃2G 染料廢水的脫色率達97． 9%以上，表明膨脹石墨對染料廢水具有較好的吸附脫色性能。 米彩麗、賈志欣、李冀輝等利用膨脹石墨負載的納米二氧化鈦復合材料作為吸附和光催化降解染料廢水的材料，提出了對染料廢水的吸附和光降解作用的機理，認為復合材料對偶氮染料水溶液、甲基橙染料污水不僅具有較強的吸附能力，還具有較好的光催化降解能力。 呂溥、龐秀言等研究了膨脹石墨對不同染料的吸附熱力學、動力學規(guī)律以及在不同膨脹容積的膨脹石墨的吸附及競爭吸附特性。國內其他研究者以膨脹石墨為吸附劑，分別以甲基橙染料、酸性曙紅B 染料等不同染料為吸附質進行吸附脫色性能試驗，結果表明膨脹石墨對染料廢水脫色時間短，脫色效果顯著，膨脹石墨在印染廢水的處理中有著廣泛的應用前景。 國內研究者們以膨脹石墨為載體，制備復合材料或者以復合方法處理染料廢水，結果顯示，采用復合材料以及復合方法處理印染廢水效果顯著，強化了膨脹石墨吸附以及其他材料氧化、催化功能，且處理方法之間均產生了協(xié)同效應。 2.2 在農藥廢水的處理方面 膨脹石墨作為催化劑載體在光催化法處理農藥廢水中顯示出優(yōu)勢。李冀輝等用改性膨脹石墨處理農藥廢水，證明膨脹石墨載體除可負載TiO2外，還可吸附農藥分子，而TiO2則具有較好的光降解活性。 賈志欣認為負載TiO2的膨脹石墨對典型農藥具有良好的吸附和光降解效果，對不同農藥的吸附和光降解效果不同。 2.3 在含苯基類廢水的處理方面 苯基化合物是一類難降解的有機化合物，其廢水可使生態(tài)環(huán)境惡化，這種廢水不經處理而任意排放，會給水環(huán)境帶來嚴重危害，具有極強的生物毒性，具有致突變、致畸及致癌的效果。此類廢水的處理一直是水環(huán)境保護領域備受關注的問題。膨脹石墨具有的特性有望在處理苯基類廢水中廣泛應用。段曉濤等、陳紅、王太斌等制備出膨脹石墨基炭/炭復合材料、膨脹石墨基炭/炭復合電極、負載納米TiO2膨脹石墨/活性炭復合材料，并將復合材料以及復合材料電極用于處理含苯酚的廢水，處理效率較高，均具有一定的工業(yè)應用前景。 呂溥用膨脹石墨分別處理含有苯環(huán)、萘環(huán)以及葸醌結構的芳香族磺酸鹽廢水，研究了其吸附動力學和吸附熱力學行為。任海麗以膨脹石墨為吸附劑，系統(tǒng)地考察了膨脹石墨對以苯甲酸、苯酚等為代表的苯基有機小分子的吸附性能。鄭思寧等認為膨脹石墨對硝基苯具有異的吸附性能。 2.4 在重金屬廢水的處理方面 重金屬離子是水體的主要污染源之一，對環(huán)境和人體的危害都很大。國內學者用膨脹石墨吸附典型重金屬廢水取得較好成果。在對六價鉻吸附的研究中，證明了對Cr( Ⅵ) 的吸附主要是物理吸附及含氧官能團和Cr( Ⅵ) 形成氫鍵的結果，但以物理吸附為主，對于Cr( Ⅵ) 有比較好的去除效果。 利用膨脹石墨制備的各種材料對處理特定的重金屬污染也效果顯著，如細粒膨脹石墨作流態(tài)化電極對含鉻廢水的處理; 氧化鎂/活性炭復合材料對Cu2+ 和Cr( VI) 的吸附，納米氫氧化鎂負載到膨脹石墨孔隙中吸附含鉛廢水等。 2.5 在其他廢水的處理方面 膨脹石墨不僅對于原油、含苯類廢水以及重金屬等污染物有很強的吸附能力，在水溶液中還易于吸附非極性或比水的極性小的分子或離子: 如有機水銀化合物，有機磷化物，磷酸、鹽酸等無機化合物，磷、硫等單質，重鉻酸鉀等無機鹽類，氟、砷、氰等有害無機離子。除此之外，夏九成等認為膨脹石墨對生活污水的COD 總去除率達到86%，且除臭能力也很顯著?？梢钥闯觯蛎浭梢宰鳛橐环N高效的廣譜污染物吸附劑。 3 膨脹石墨在治理大氣污染物方面的應用 膨脹石墨除在液相中進行選擇性吸附外，還可以利用膨脹石墨的選擇性吸附有毒有害污染氣體。膨脹石墨能有效吸附有毒氣體、惡臭氣體，特別是分子量較大的氣體。同時膨脹石墨對甲醛等廢氣具有較好的吸附脫除能力，對汽車尾氣及工業(yè)廢氣當中的氮氧化物和硫氧化物等也有一定的脫除效果。膨脹石墨與活性炭相比，其對NOX的吸附效果更好，且吸附劑的再生處理非常簡單，經干燥后可重復使用，因此具有較好的經濟性。 國內很多學者對膨脹石墨吸附甲醛廢氣的效能進行了深入研究，結果表明，膨脹石墨對甲醛的吸附量比活性炭的吸附量大很多。將膨脹石墨進行改性處理，改性膨脹石墨對甲醛氣體的吸附性能大幅度提高。膨脹石墨對揮發(fā)性有機氣體，如苯、甲苯等，也有著良好的吸附效果。這些研究結果表明膨脹石墨作為氣體吸附劑對治理大氣污染有重要作用。 4 膨脹石墨環(huán)保材料的發(fā)展趨勢 目前膨脹石墨的強大吸附能力得到了各國學者的一致認可，膨脹石墨已經用于海上溢油事件應急處理以及部分環(huán)保領域之中，并取得了很好的效果。但是在試驗及現(xiàn)場應用中發(fā)現(xiàn)膨脹石墨還存在一些不足，如:①膨脹石墨硬度較小，抗拉強度低、質脆，故容易發(fā)生形變及破碎;②制備工藝能耗物耗較高，制備過程中產生大量強酸廢水; ③需再進一步探討綠色高效、穩(wěn)定性高的膨脹石墨再生方法; ④對特定物質吸附機理闡述不清楚，影響了大規(guī)模應用; ⑤膨脹石墨復合材料的性能以及應用方面研究深度不夠; ⑥大多數研究為實驗室研究，缺乏中試以及實際工程應用實例。 針對膨脹石墨環(huán)保材料存在的問題，可從以下幾方面進一步研究: ① 借助于現(xiàn)代化微觀解析手段，對膨脹石墨吸附特定物質過程及機理進行研究，闡明吸附和解析過程的內在聯(lián)系，從而實現(xiàn)其對吸附特定物質的過程控制; ②進一步提高其硬度，延長使用壽命，降低膨脹石墨制備成本; ③深入探討再生過程中污染物質遷移轉化過程及機理，尋求綠色環(huán)保的再生方法; ④國內外對于膨脹石墨處理流態(tài)下含微量油的廢水吸附性能及機理研究還比較少，這將是未來研究的重要方向; ⑤膨脹石墨板材與長纖維或薄金屬板等其他材料組成復合材料，發(fā)揮兩者優(yōu)點、克服各自材料的不足，是未來開發(fā)的重點; ⑥膨脹石墨負載光催化劑，如二氧化鈦等，制備的復合材料是一種具有光催化降解性能和吸附的環(huán)保材料，其性能突出，復合材料性能提高及反應機理仍將是研究熱點; ⑦膨脹石墨在吸聲材料方面的機理及應用方面有待深入研究; ⑧膨脹石墨吸附技術的推廣應用面臨著經濟性評估、效能優(yōu)化、過程控制、回收及再生操作等問題。因此，開發(fā)經濟實用的膨脹石墨吸附技術，并對膨脹石墨處理污染物質過程相關參數進行優(yōu) 化和控制，促進膨脹石墨在實際工程及環(huán)保應急事故中的應用是將來的主要研究方向之一。 膨脹石墨在污染治理方面應用必將引起廣大學者及工程技術人員的進一步關注，其在環(huán)境保護領域有著巨大的應用前景。 |
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