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| 膨胀石墨在环境保护中的应用及其发展趋势 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-03-04 11:13:11 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/班建伟）膨胀石墨是制造柔性石墨的中间产品，是由天然鳞片石墨经化学或电化学插层处理、水洗、干燥、高温膨化制得的。膨化之后的石墨呈蠕虫状，由于天然鳞片石墨沿微晶C 轴方向膨胀数十倍到数百倍，从而在膨胀石墨内部和表面形成许多微小的孔，使表面积大大增加，因此其可作为良好的吸附材料。
膨胀石墨作为天然石墨的深加工产品之一，具有石墨的耐高低温、耐腐蚀、耐辐射、润滑性能好、高导热导电等优异性能，而且由于体轻多孔，质地柔软，还具有良好的吸附性、黏结性好、隔音隔热性好、良好的压缩回弹性和密封性等一系列新的优异性能，已在环境保护、化工催化、新能源、航天、机械、冶金、电力、生物医学、复合材料、军事、原子能、石油化工等领域中广泛应用。
由于膨胀石墨具有上述优良的特性，尤其是具有环境协调性、良好吸附性、无毒无害性、生物相容性等特性，作为环境友好型环保材料的研究已成为国内外研究热点。目前，其在水环境修复、废水、废气的治理领域中得到了广泛的应用与研究。该研究对膨胀石墨在以上三方面的应用进行了综述和展望。
1 膨胀石墨在油污染环境修复方面的应用
20 世纪80 年代初，日本学者指出膨胀石墨可以从海洋、河流和废水中除去油类及有机成分。20 世纪90 年代，以色列科学家指出，蠕虫状膨胀石墨具有从水中吸附各类油品的性能，既可以作吸附剂，也可做成垫板状介质、毡状介质、水栅栏和作为过滤介质进行吸附处理。1997 年，日本福冈近海油轮泄漏，围油后用多孔材料包覆膨胀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 等国外学者证明膨胀石墨对重油也有良好的吸附能力，通过简单的真空抽滤，膨胀石墨中吸附的重油被释放并被回收，回收率达到60%以上，回收的重油品质不变，抽滤后的膨胀石墨仍保持一定的吸油能力。
20 世纪90 年代，曹乃珍等、周伟等、任京成等、康飞宇等、沈万慈等开始了以膨胀石墨为吸附剂对水面各类有机油类的吸附处理研究，研究表明，膨胀石墨对水中油类具有良好吸附能力，主要可应用在溢油的处理和含油废水吸附等方面。膨胀石墨作为新型吸油材料，在处理水面浮油和水中微量油时比传统吸附材料，如聚氨酯泡沫、活性炭和棉花等，具有更优良的性能，经济效益和环境效益显著。在处理海面油泄漏时，可将其加工成块状或用其他材料将其包埋起来，同时膨胀石墨吸附油类后可进行活性再生，实现了循环再利用。膨胀石墨的非极性性质决定了对油类选择性吸附的特点，同时具有较大比表面积和较强表面活性，膨胀石墨独特的四级孔结构，如大孔、超大孔结构，是引起膨胀石墨具有大吸油量的本质原因，缠绕空间和内孔储油空间也是其具有超大吸附能力原因之一。
同时，一些学者对膨胀石墨吸附油品后的再生及油品回收等方面问题进行了研究，证明了真空抽滤法是一种安全、经济、高效的再生方法，该法使膨胀石墨拥有高的脱油率和再生效率，可以回收由于泄漏而损失的油品。针对膨胀石墨易破碎、难于投放与回收等问题，研究人员用吸油性较好的膨胀石墨与其他材料复合制成复合材料。
刘宏认为吸油毡和膨胀石墨复合使用，复合后材料吸油量提高了近300%，并解决了膨胀石墨难于投放和回收的问题。王勇等的研究表明膨胀石墨－酚醛树脂基活性炭复合材料具有低密度、质轻、高化学稳定性和无毒的特性，利用其优异的吸油、过滤的特性，可有效地处理含油污水，回收污油，清除污油对环境的危害。陈希认为膨胀石墨基炭/炭复合材料对各种纯油品、水面漂浮油品以及水中低含量的乳化状态的食用油均具有较好的吸附能力，有机溶剂清洗法对吸附油品后的膨胀石墨基炭/炭复合材料具有较好的脱除与再生效率。
2 膨胀石墨在废水处理方面的应用
2.1 在印染废水处理方面
随着我国印染行业的发展，我国工业废水排放量的35%来自于印染行业，染料工业产生大量的染料废水，具有色泽深、成分复杂、浓度高等特点，排入环境中对生态环境具有很强毒害作用，其中色泽污染最为严重，因而染料废水的脱色是研究人员关注的焦点。
科研人员将膨胀石墨应用在印染废水的处理中，取得了良好的效果。李冀辉等、杨丽娜、刘淑芬等以膨胀石墨为吸附剂，对分别含活性染料( 活性艳红K-2BP、活性嫩黄K-4G、活性艳红X-3B) 、酸性染料( 酸性媒介深黄GG、酸性嫩黄2G) 、直接染料( 直接大红4B、直接耐酸大红4BS、甲基橙) 等不同染料废水的吸附脱色作用、影响因素及其脱色机理等方面进行了研究，结果表明膨胀石墨对各种染料的脱色率均在70%以上。其中对酸性媒介深黄GG、酸性嫩黄2G 染料废水的脱色率达97． 9%以上，表明膨胀石墨对染料废水具有较好的吸附脱色性能。
米彩丽、贾志欣、李冀辉等利用膨胀石墨负载的纳米二氧化钛复合材料作为吸附和光催化降解染料废水的材料，提出了对染料废水的吸附和光降解作用的机理，认为复合材料对偶氮染料水溶液、甲基橙染料污水不仅具有较强的吸附能力，还具有较好的光催化降解能力。
吕溥、庞秀言等研究了膨胀石墨对不同染料的吸附热力学、动力学规律以及在不同膨胀容积的膨胀石墨的吸附及竞争吸附特性。国内其他研究者以膨胀石墨为吸附剂，分别以甲基橙染料、酸性曙红B 染料等不同染料为吸附质进行吸附脱色性能试验，结果表明膨胀石墨对染料废水脱色时间短，脱色效果显著，膨胀石墨在印染废水的处理中有着广泛的应用前景。
国内研究者们以膨胀石墨为载体，制备复合材料或者以复合方法处理染料废水，结果显示，采用复合材料以及复合方法处理印染废水效果显著，强化了膨胀石墨吸附以及其他材料氧化、催化功能，且处理方法之间均产生了协同效应。
2.2 在农药废水的处理方面
膨胀石墨作为催化剂载体在光催化法处理农药废水中显示出优势。李冀辉等用改性膨胀石墨处理农药废水，证明膨胀石墨载体除可负载TiO2外，还可吸附农药分子，而TiO2则具有较好的光降解活性。
贾志欣认为负载TiO2的膨胀石墨对典型农药具有良好的吸附和光降解效果，对不同农药的吸附和光降解效果不同。
2.3 在含苯基类废水的处理方面
苯基化合物是一类难降解的有机化合物，其废水可使生态环境恶化，这种废水不经处理而任意排放，会给水环境带来严重危害，具有极强的生物毒性，具有致突变、致畸及致癌的效果。此类废水的处理一直是水环境保护领域备受关注的问题。膨胀石墨具有的特性有望在处理苯基类废水中广泛应用。段晓涛等、陈红、王太斌等制备出膨胀石墨基炭/炭复合材料、膨胀石墨基炭/炭复合电极、负载纳米TiO2膨胀石墨/活性炭复合材料，并将复合材料以及复合材料电极用于处理含苯酚的废水，处理效率较高，均具有一定的工业应用前景。
吕溥用膨胀石墨分别处理含有苯环、萘环以及葸醌结构的芳香族磺酸盐废水，研究了其吸附动力学和吸附热力学行为。任海丽以膨胀石墨为吸附剂，系统地考察了膨胀石墨对以苯甲酸、苯酚等为代表的苯基有机小分子的吸附性能。郑思宁等认为膨胀石墨对硝基苯具有异的吸附性能。
2.4 在重金属废水的处理方面
重金属离子是水体的主要污染源之一，对环境和人体的危害都很大。国内学者用膨胀石墨吸附典型重金属废水取得较好成果。在对六价铬吸附的研究中，证明了对Cr( Ⅵ) 的吸附主要是物理吸附及含氧官能团和Cr( Ⅵ) 形成氢键的结果，但以物理吸附为主，对于Cr( Ⅵ) 有比较好的去除效果。
利用膨胀石墨制备的各种材料对处理特定的重金属污染也效果显著，如细粒膨胀石墨作流态化电极对含铬废水的处理; 氧化镁/活性炭复合材料对Cu2+ 和Cr( VI) 的吸附，纳米氢氧化镁负载到膨胀石墨孔隙中吸附含铅废水等。
2.5 在其他废水的处理方面
膨胀石墨不仅对于原油、含苯类废水以及重金属等污染物有很强的吸附能力，在水溶液中还易于吸附非极性或比水的极性小的分子或离子: 如有机水银化合物，有机磷化物，磷酸、盐酸等无机化合物，磷、硫等单质，重铬酸钾等无机盐类，氟、砷、氰等有害无机离子。除此之外，夏九成等认为膨胀石墨对生活污水的COD 总去除率达到86%，且除臭能力也很显著。可以看出，膨胀石墨可以作为一种高效的广谱污染物吸附剂。
3 膨胀石墨在治理大气污染物方面的应用
膨胀石墨除在液相中进行选择性吸附外，还可以利用膨胀石墨的选择性吸附有毒有害污染气体。膨胀石墨能有效吸附有毒气体、恶臭气体，特别是分子量较大的气体。同时膨胀石墨对甲醛等废气具有较好的吸附脱除能力，对汽车尾气及工业废气当中的氮氧化物和硫氧化物等也有一定的脱除效果。膨胀石墨与活性炭相比，其对NOX的吸附效果更好，且吸附剂的再生处理非常简单，经干燥后可重复使用，因此具有较好的经济性。
国内很多学者对膨胀石墨吸附甲醛废气的效能进行了深入研究，结果表明，膨胀石墨对甲醛的吸附量比活性炭的吸附量大很多。将膨胀石墨进行改性处理，改性膨胀石墨对甲醛气体的吸附性能大幅度提高。膨胀石墨对挥发性有机气体，如苯、甲苯等，也有着良好的吸附效果。这些研究结果表明膨胀石墨作为气体吸附剂对治理大气污染有重要作用。
4 膨胀石墨环保材料的发展趋势
目前膨胀石墨的强大吸附能力得到了各国学者的一致认可，膨胀石墨已经用于海上溢油事件应急处理以及部分环保领域之中，并取得了很好的效果。但是在试验及现场应用中发现膨胀石墨还存在一些不足，如:①膨胀石墨硬度较小，抗拉强度低、质脆，故容易发生形变及破碎;②制备工艺能耗物耗较高，制备过程中产生大量强酸废水; ③需再进一步探讨绿色高效、稳定性高的膨胀石墨再生方法; ④对特定物质吸附机理阐述不清楚，影响了大规模应用; ⑤膨胀石墨复合材料的性能以及应用方面研究深度不够; ⑥大多数研究为实验室研究，缺乏中试以及实际工程应用实例。
针对膨胀石墨环保材料存在的问题，可从以下几方面进一步研究:
① 借助于现代化微观解析手段，对膨胀石墨吸附特定物质过程及机理进行研究，阐明吸附和解析过程的内在联系，从而实现其对吸附特定物质的过程控制;
②进一步提高其硬度，延长使用寿命，降低膨胀石墨制备成本;
③深入探讨再生过程中污染物质迁移转化过程及机理，寻求绿色环保的再生方法;
④国内外对于膨胀石墨处理流态下含微量油的废水吸附性能及机理研究还比较少，这将是未来研究的重要方向;
⑤膨胀石墨板材与长纤维或薄金属板等其他材料组成复合材料，发挥两者优点、克服各自材料的不足，是未来开发的重点;
⑥膨胀石墨负载光催化剂，如二氧化钛等，制备的复合材料是一种具有光催化降解性能和吸附的环保材料，其性能突出，复合材料性能提高及反应机理仍将是研究热点;
⑦膨胀石墨在吸声材料方面的机理及应用方面有待深入研究;
⑧膨胀石墨吸附技术的推广应用面临着经济性评估、效能优化、过程控制、回收及再生操作等问题。因此，开发经济实用的膨胀石墨吸附技术，并对膨胀石墨处理污染物质过程相关参数进行优 化和控制，促进膨胀石墨在实际工程及环保应急事故中的应用是将来的主要研究方向之一。
膨胀石墨在污染治理方面应用必将引起广大学者及工程技术人员的进一步关注，其在环境保护领域有着巨大的应用前景。
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