成果简介

有机废水的处理具有重要意义。碳纳米管（CNT）/石墨烯基纳米材料具有高的比表面积，中孔结构，可调节的表面性质和高化学稳定性，因此具有作为有机废水处理吸收材料的巨大潜力。这些属性使它们能够在高浓度或高温下承受苛刻的废水条件，例如酸性，碱性和咸性条件。尽管已经报道了大量有关CNT/石墨烯基纳米材料在有机废水系统中的性能的工作，但其实际应用仍存在挑战。

本文总结CNT和石墨烯基纳米材料的吸附机理，包括碳纳米管和石墨烯在原子和分子水平上的吸附机理，亲水和疏水表面特性以及发生吸附所需的结构-性质关系。其次，介绍用于各种有机废水系统的基于CNT和石墨烯的吸附剂的结构改性和复合方法。并且讨论挑战，包括宏观稳定吸附剂的成型，吸附等温线模型和吸附动力学行为，以及与活性炭（AC）相比可逆的吸附性能。最后，根据材料的可扩展性和实际应用讨论了成本问题。

图文导读

2.1碳纳米管和石墨烯中水/有机物的吸附机理

石墨烯结构是碳同素异形体的基本单元。石墨烯单元的堆叠，密封和轧制以某种方式导致形成传统的石墨，富勒烯和CNT。

图1、a）基于石墨烯片的碳同素异形体。b）石墨烯与各种污染物之间的吸附机理。

图2、a）薄层石墨烯的透射电子显微镜（TEM）图像。

b）石墨纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图像。

c）TEM图：i）具有五个壳且直径为6.7nm的MWCNT，ii）具有两个壳且直径为5.5nm的MWCNT，iii）具有七个壳且直径为6.5nm的MWCNT。

d）原始多壁碳纳米管的SEM图像。

e）GNH粉末的SEM图像。

f）GNH的TEM图像显示了石墨烯夹层中的CNT。

图3、CNT/石墨烯基纳米材料对去除废水中某些化学物质的吸附能力

2.2CNT/石墨烯基吸附剂的结构改性和复合

图4、a）横穿的聚苯乙炔链紧密缠绕在SWCNT周围。b）氧化石墨烯-聚苯胺（GO-PANI）。c）GO-PANI纳米片的SEM图像。d）GO纳米片的SEM图像。e）GOCNTPPD混合体。f）pH对MV吸附的影响。g）pH对MO吸附的影响。

图5、a）CAS的照片。b）原始的CNTPTFE条带。c）压缩后的CNTPTFE条带。d）用N2等温吸附测定的CASs孔径分布。e）含7.5％PTFE的CNT-PTFE条的孔径分布。f）不同带材的抗压强度

测试基于CNT/石墨烯的纳米材料的动力学吸附行为。对于二甲苯在石墨烯-纳米管-杂化物（GNHs）上的吸附，填充作用和大的吸附能力导致1分钟内23gg-1的分离吸附，饱和值的95％。然后，吸附质量基本上不随吸附时间而增加。根据伪二级动力学模型，对CNT和CAS观察到了相似的吸附行为。

表1、碳纳米材料基吸附剂和AC的一些典型解吸方法

图6、碳纳米管/石墨烯基纳米材料处理后的有机废水的流向。

2.3可扩展的实际应用的成本问题

基于CNT或石墨烯的吸附剂中解吸有机物的能量或热成本要比基于AC的吸附剂低得多，这使得基于CNT或石墨烯的吸附剂的实际应用成为可能。提出以下概念降低用于废水处理的CNT/石墨烯基吸附剂成本：

减少CNT/石墨烯基吸附剂成型的准备步骤由冷凝的有机物混合物制备基于CNT/石墨烯的吸附剂利用热能减少总能耗其他用途的CNT和石墨烯的回收和转化CNT或石墨烯基吸附剂的最终降解主要归因于难以解吸的组分的沉积或吸附剂的孔被无机氧化物的其他小粉末阻塞。吸附剂中包含的CNT或石墨烯可以在粉碎吸附剂或除去其他成分后回收，因为CNT和石墨烯即使在酸和碱中或高温下也非常稳定。因此，这些回收的CNT和石墨烯可用于其他领域，例如水泥复合材料。

观点与小结

新兴的纳米材料提供前所未有的可能性，技术的不断进步为应用奠定基础。随着环境和社会需求的发展，碳纳米材料，例如碳纳米管和石墨烯，不仅应用于储能和复合材料领域，而且在废水处理中显示出巨大的潜力。大量的基础研究表明，CNTs和石墨烯在各种应用中具有灵活性。但是，由于CNT和石墨烯的供应有限，仅在极少数情况下实现试验工厂应用。该领域仍然需要可持续发展，包括扩大功能化的CNT及其复合材料的规模，并具有良好的可重复性和可接受的成本。选择使用常规吸附剂（例如沸石，AC和粘土）无法实现的重要而困难的应用，对于工业迅速接受CNT和石墨烯而言至关重要。性价比是一个关键因素。另一方面，通常可以理解，即使应用程序很少，促进新材料的实际应用应为废水处理领域带来新的活力。

最后，本文提出使用碳纳米材料注意吸附剂安全性的重要性。碳纳米管和石墨烯的单分散状态非常小且重量轻，导致水分容易流失，易于通过人的呼吸系统摄入。但是，宏观上使用复合材料是相对安全的，因为CNT和石墨烯与粘合剂的相互作用非常强。成型是平衡单个碳纳米材料的安全性和碳纳米材料吸附剂效率的重要方法。

文献：

TheApplicationofCarbonNanotube/GrapheneBasedNanomaterialsinWastewaterTreatment