面向油水分離應用的石墨烯及相關(guān)碳三維結(jié)構(gòu)的制備與吸附特性研究.pdf

1、水是人類社會賴以生存的前提，其重要性不言而喻。但是，當前水環(huán)境日益惡化，水污染日益加重。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活所排放的廢水，已對社會的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅。在所有污染中，油類污染占據(jù)了很大一部分。油類污染不僅在淡水資源中存在，而且在海洋資源中也存在。對油類污染進行處理的方法主要分為三類:化學法、生物法、物理法。相較于其它的方法，物理法中的吸附法在油類污染處理上顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。對于已有的吸附材料如膨脹珍珠巖、沸石、羊毛纖維、活性炭、鋸木屑

2、、聚合物、膨脹石墨、碳納米管等，它們或多或少會存在如下的一些缺點:吸附率低、油水吸附選擇性差、二次污染、循環(huán)利用率低、成本高等，因此這些吸附劑很難滿足處理油類污染的要求。發(fā)展新的吸附材料由此顯得非常迫切。本文以具有超強力學性能、超高比表面積的新興材料-石墨烯為基材，通過不同方法制備出了性能優(yōu)異的石墨烯海綿吸油材料。相比于傳統(tǒng)吸附材料，該石墨烯海綿具有更高吸附率、更優(yōu)異循環(huán)利用率等優(yōu)點。為了降低成本，探索了以棉花和廢紙為原料，制備出了成本

3、極低的碳海綿，該種海綿對油同樣具有優(yōu)異的吸附性能。由于原料來源豐富，價格低廉，整個制備過程簡單易行，非常適合商業(yè)化生產(chǎn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴將金屬鑄造的概念引入到制備三維石墨烯濕凝膠的過程中，將水熱法與特制的反應釜結(jié)合，制備出了不同形狀的石墨烯濕凝膠，接著在32℃下干燥15h，得到了各種形狀的石墨烯鑄體。提出了溶膠-凝膠法的石墨烯自組裝成型機理。另外，研究了前驅(qū)液-氧化石墨烯分散液的pH值對石墨烯鑄體結(jié)構(gòu)與性能的影響，結(jié)果

4、表明:當pH值在10左右時，石墨烯鑄體具有光滑的表面形貌和均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu);同時其平均抗壓強度達到了360MPa，是傳統(tǒng)石墨產(chǎn)品的6倍，其平均電導率達到了7.8S/cm，可以和CVD法制備的石墨烯泡沫相媲美。當pH值在10左右時，氧化石墨烯片帶有的電荷達到最大，在水熱還原的過程中，所有的石墨烯片整體發(fā)生團聚，從而形成致密均勻的結(jié)構(gòu)。⑵將得到的石墨烯濕凝膠進行冷凍干燥，得到了石墨烯海綿。在冷凍干燥的過程中，冷凍溫度起到了非常關(guān)鍵的作用。基于

5、搭建的冷凍平臺(-170～0℃)，制備了不同冷凍溫度下的石墨烯海綿。相關(guān)的表征及測試表明:冷凍溫度越低，所得海綿的孔徑越小、孔密度越大、孔壁越薄(如-170℃時，孔尺寸為10～15μm，孔壁厚20nm;-10℃時，孔尺寸為700～800μm，孔壁厚80.μrn);當冷凍溫度高于-20℃時，石墨烯海綿具有斥水性，當冷凍溫度低于-50℃時，石墨烯海綿具有吸水性。較低冷凍溫度下石墨烯海綿具有較好的力學性能如抗壓強度、楊氏模量等。不同的冷凍溫度

6、，會導致不同的冰晶成核率和生長率，而也正是這兩者之間的競爭才最終導致了對石墨烯海綿微結(jié)構(gòu)的調(diào)制。⑶在上述有關(guān)冷凍溫度對石墨烯海綿潤濕性的工作基礎(chǔ)上，探究了憎水性石墨烯海綿在有機液體污染處理上的應用。石墨烯海綿具有強憎水性、大比表面積、多孔性等特點。實驗發(fā)現(xiàn):該海綿不僅對油及汽油產(chǎn)品具有很高的吸附率，同時還對苯、氯仿等有毒有機溶劑具有極高的吸附率，如1g石墨烯海綿可以吸附86g氯仿，遠遠高于傳統(tǒng)的吸附材料。同時，基于海綿的化學、熱學穩(wěn)定性

7、，該石墨烯海綿具有非常優(yōu)異的循環(huán)利用能力，10次吸附-脫附循環(huán)后，吸附率基本沒有惡化，同時對吸附的有機液體的脫附率達到了99％以上。因此，該海綿在環(huán)境保護上具有巨大的應用空間。⑷為了進一步提高石墨烯海綿的吸附率，采用新的制備方法:直接對氧化石墨烯分散液進行冷凍干燥得到氧化石墨烯海綿，接著將該海綿在1000℃下退火得到石墨烯海綿，最后再將石墨烯海綿在燭焰上燃燒進行碳顆粒修飾，最終得到了超低密度(0.9mg/cm3)的石墨烯海綿。該方法的最

8、大優(yōu)點是:可以通過配置不同濃度的氧化石墨烯分散液制備出具有不同密度的石墨烯海綿。該海綿具有的吸附率是水熱還原得到的海綿的7倍，比如水熱還原法海綿對氯仿的吸附率為86倍，而該超輕海綿達到了616倍。憎水性也遠遠優(yōu)于水熱還原得到的海綿，如其潤濕角為155°，而水熱還原得到的海綿為114°。⑸針對上述兩種海綿存在的共同缺點-擠壓易碎，采用新的制備方法:低溫還原(90℃)-冷凍干燥-高溫還原(200℃)。此制備方法可以對海綿的密度與尺寸非常容易

9、地加以控制。最重要的是該海綿具有非常好的可壓縮性，即使當應變超過90％時，仍然可以快速恢復原樣。同時，當施加斜向壓力時，該海綿仍然可以很好地恢復原樣。兩次施力-釋力循環(huán)后，該海綿變得更加穩(wěn)定，之后的應力應變曲線趨于重合在一起?；谠摵＞d優(yōu)異的可壓縮性，未來可以將其用于應變傳感器及能量存儲上。⑹考慮到石墨烯用作吸附劑成本較高的問題，探索了以棉花和廢紙為原料分別制備出了超輕高吸附的螺旋碳纖維（Twisted Carbon Fiber，TCF