שימוש בחומרים מבוססי Graphene עבור מים מתכת כבדות

אתגר עולמי של זיהום מתכת כבד

זיהום מתכת כבד של משאבי מים הוא אחד המשברים הסביבתיים והציבוריים הדוחקים ביותר של המאה ה -21. פעילויות תעשייתיות כגון כרייה, אלקטרו-פלינג, ייצור סוללות, וריצה חקלאית שחררו מתכות רעילות - כולל להוביל (Pb), כספית (Hg), קדמיום (Cd), ארסן (כ), כרום (Cr), ונחושה (Cu) - למים, במיוחד לאזורים מסוכנים, אך יש מחלות קשות, אך גם במקומות שבהם קיים סיכון גבוה יותר, אך גם באזורים אלה, אך גם באזורים מסוכנים, אך ורק לערכים מסוכנים, אך קיימים, אך קיימים, אך ורק לערכים מסוכנים, אך קיימים, אך קיימים, אך קיימים, אך ורק באזורים מסוכנים, אך ורק באזורים מסוכנים, אך קיימים, אך קיימים, אך קיימים, אך קיימים, אך ורק באזורים מסוכנים, אך קיימים, אך קיימים, אך קיימים, אך קיימים, מינרלים מסוכנים, אך בעלי השפעות מזיקות, אך בעלי מחלות סביבתיות, אך קיימים, אך ורק לערכים מסוכנים, אך גם באזורים מסוכנים, אך קיימים, מינרלים מסוכנים, מינרלים מסוכנים, אך ורק באזורים מסוכנים, אך גם באזורים מסוכנים, אך קיימים, אך גם באזורים מסוכנים, אך ורק לגורמי סרטן כבדות, כמו גם באזורים מסוכנים, אך גם באזורים מסוכנים (כמי

שיטות טיפול במים מסורתיים - כגון משקעים כימיים, החלפת ion, אווסמוזיס לאחור, ומודעות פחמן מופעל - הם יעילים אך לעתים קרובות סובלים מעלויות תפעוליות גבוהות, מוגבלות, דור פסולת משני, או די הסרת לא מספקת בריכוזים נמוכים.זה הוביל מחקר אינטנסיבי לתוך חומרים מתקדמים שיכולים להציע ביצועים מתקדמים, סטיות גבוהות, וקיימות.

הבנת גראפן ודרטיבציות

Graphene הוא דו-ממדי של פחמן המורכב שכבת יחיד של אטומי sp2-hybridated מסודרים ב לימוזינה דבשcomb. תגליתו בשנת 2004 על ידי נובורוב וגים הרוויחו את פרס נובל בפיסיקה וניצוץ מהפכה מדעית חומרים גרף ייחודי של prise ⁇ פתען כולל שטח ספציפי של 262 / גבוה (גבוה של כל כוח מכני) ואפקטים של גרף כימי זה, אבל טיפול קוסמטי לחלוטין, עם זאת, עם פונקציונליות אופטיקה אופטיקה אופטיקה, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם פונקציונליות גבוהה מאוד, עם גרף אופטיקה אופטיקה אופטיקה, עם זאת, עם גרף אופטיקה גבוהה מאוד, עם זאת, עם זאת, עם גרף אופטיקה אופטיקה, עם זאת, עם גרף אופטיקה אופטיקה, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם תפקוד חשמלי מורכב במיוחד, עם זאת, עם פונקציונליות גבוהה מאוד, 000.

• (FLT:0Graphene oxide (GO)igtureFLT:1: המיוצר על ידי חמצון גרפיט באמצעות חומצות חזקות (שיטתו של Hummer) מכיל קבוצות פונקציונליות רבות חמצן (epoxy, hydroxyl, carboxyl) שהופכים אותו הידרופילי, פיזור במים, וקבוצות תגובתיות כימיות אלה משמשים כאתרים פעילים עבור מתכת באמצעות אלקטרוסטציה מחייבת באמצעות אלקטרואקטיבית, תיאום, או משיכה חלופית.
• (FLT:0) oxide גרף (rGO)BuildFLT) 1: ספוג על ידי הפחתה כימית, תרמית או אלקטרוכימית של GO. בעוד rGO משחזר חלקית את רשת הפחמן הארומטי ו מוליכות חשמלית, הוא שומר כמה קבוצות חמצן פגמים, מתן איזון בין הידרופיליות ויציבות.
• (FLT:0Functionalized גרפן מורכב מטבולית:1 ; Graphene (או GO /rGO) הוא שונה זהה או לא שווה עם פולימרים, חלקיקים מתכת, מסגרות אורגניות מתכת (MOFs), או ננו-חומרים אחרים כדי לשפר אתסלקטיביות, יכולת או יכולת מחדש עבור מתכות כבדות מסוימות.
• <חזק>Graphene קוונטי dots (GQDs): חלקיקים תלת-ממדיים של גרפן (בדרך כלל <10 nm) עם אתרים פעילים פוטו-מיידיים עשירים קצה, המשמשים ביישומים רגישים ומודעות.

עבור סינון מים, צורות נחקרות הנפוץ ביותר הן GO ו rGO בשל ההיקף שלהם וכימיה משטח צדדי.היכולת להתאים את הסוג והדחיסות של קבוצות פונקציונליות מאפשר שליטה מדויקת על התנהגות מודעות.

מכניזם של מתכת כבדה נשלל על ידי Graphene-based Materials

הבנת האינטראקציות הבסיסיות היא קריטית לתכנון מערכות סינון יעילות.חומרים המבוססים על Graphene מסירים בצל מתכת כבד באמצעות מנגנונים סינרגיסטים מרובים:

מודעות

אדים היא המנגנון העיקרי, המונע על ידי שטח פני השטח הספציפי הגבוה ו אתרים פעילים בשפע. צילומי מתכת לדבוק משטח הגרפן באמצעות:

• (FLT:0) משיכה אלקטרונית משיכה FLT:1: קבוצות חמצן אחראיות שלילית (carboxyl, hydroxyl) למשוך מתכות כבדות breic (Pb2+, Cd2+, Cu2+) ב- pH המתאים.פוטנציאל זטה של GO הוא שלילי מאוד מעל pH -3, מה שהופך אותו לכה חזק עבור ions טעון חיובי.
• (FLT:0) מכלול של עיגולים: קבוצות פונקציונליות המכילות חמצן יוצרות קשרים תיאום עם תצלומי מתכת.לדוגמה, קבוצות קרטל יכולות לשליש Pb2+ באמצעות אינטראקציות מרשימות או מונותנות.
• (FLT:0) אינטראקציות ⁇ - ⁇ FLT:1: אלקטרונים ⁇ מבוזרים על מטוס הבסטיגן יכול אינטראקציה עם מתכות כבדות שיש להם תכונות ⁇ -acceptor או ⁇ -donor, כגון Cr(VI) או AS(III) בצורות מסוימות.
• (ב) ⁇ :0 (Ion exchangeFLT:1): סטיות מתכת מחליפות פרוטונים או צלקות אחרות מקבוצות פני השטח.זה רלוונטי במיוחד עבור GO עם נפיחות בין-שכבתית, שבו ניתן להחליף את הגזרות המשולבות.
• (FLT:0) תגובות RedoxibFLT:1: כמה מתכות כמו Cr(VI) (בעיקר רעיל) מופחתות Cr(III) (פחות רעיל) על ידי משטח הגרפן עשיר אלקטרוני יכול לפעול כתורם אלקטרונים או מקבל בהתאם למצב ההפחתה שלו.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

membranes מבוסס GO מורכב ננוגליונות מערערמים שגורמים ננו ערוצים (בדרך כלל 0.1-2 nm interlayercing) כאשר הם מקובצים סרט דק על תמיכה ⁇ , הם מתפקדים כמחסומים בגודל-exclusion. s מתכת כבד מואצת יש קוטרים גדולים יותר מאשר המרחק בין-שכבת, אז הם דחו פיזית.

הפחתה Photocatalytic

תרכובות מבוססות Graphene משלבות מוליכים למחצה (למשל, TiO2, ZnO, BVO4) יכול להשתמש אור סולארי כדי להניע photoreduction של תצלומי מתכת. אלקטרונים נרגש להפחית מתכות בעלות ערך גבוה (Cr6+ Cr3+, Hg2+ ל- Hg0) אשר לאחר מכן מודעות או טרום-משלבים גישה זו אנרגיה מתחדשת עם יעילות גבוהה.

סינתזה ומרקם של גרף מבוסס Graphene

הפחתת filtration מבוסס גרפן כוללת שני שלבים עיקריים: סינתז את נגזרת הגרפן ולאחר מכן לחלחל אותו לתוך טופס מסנן פונקציונלי.

ייצור oxide

השיטה הנפוצה ביותר נותרה שיטת Hummers, שבו אבקת גרפיט הוא חמצון עם אשלגן permanganate (KMnO4) וחומצה sulfuric (H2SO4) בנוכחות של נתרן נתרן (NaNO3). Modifications (למשל, שיטת טור) להשתמש חומצה זרחנית כדי להפחית את ייצור הגז הרעיל ולשפר.

⁇ ⁇

rGO מיוצר על ידי צמצום השימוש ב- GO:

• (ב) הפחתה של ⁇ :0ChemicalductionFLT:1: hydrozine, sodium בורוhydride, ascorbic acid (גישה ירוקה).
• (ב) הפחתה של ה-FLT: חימום מהיר (למשל, 800-1000 מעלות צלזיוס תחת גז לא מוכר) שמרחיב את GO לתוך rGO.
• (ב) הפחתה של האלקטרומגנטי: הפחתה של אלקטרודה (התמכה)

כל שיטה מניבה תוכן חמצן שונה, פגמים ותכונות חשמל.עבור סינון, ירידה מתונה לעתים קרובות מספקת איזון אופטימלי בין יציבות ויכולת מודעות.

שיטות ייצור

• (ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ :0) ⁇ (LbL) ⁇ 1: ⁇ ⁇ בכפירה טמאוליטים טמאים ו- GO מניבה מלמברנות אולטרה-סגולות עם דיסלקציה בין טונה.
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) ElectrospinningFLT:1: nanofibers Composite המשלבים את GO לתוך פולימרים (למשל, פוליקלוניקל, פוליויניל אלכוהול) לייצר מזרונים גבוהים אידיאלי עבור מודעות דינמיות.
• (ב) ,0)3Digture PrintFLT:1: טכניקות מתפתחות מאפשרות הדפסה ישירה של אווירגלים מבוססי GO או קרומברנס עם נקבוביות מותאמות.

עבור יישומים של מודעות, GO /rGO משמש לעתים קרובות אבקות חינם או הידרוגלס / aerogels. האחרון לספק הקלה של טיפול ושיקום באמצעות סינון פשוט או הפרדה מגנטית אם בשילוב עם חלקיקים מגנטיים.

ביצועים מורכבים והטבות השוואתיות

חומרים המבוססים על Graphene באופן עקבי outperform sorbents קונבנציונליים במספר פרמטרים מרכזיים:

Property	Graphene oxide	Reduced GO	Activated carbon	Zeolites
Maximum adsorption capacity (Pb²⁺)	~800–2000 mg/g	~500–1000 mg/g	~50–200 mg/g	~10–100 mg/g
Equilibrium time (Pb²⁺)	<5 minutes	<10 minutes	Hours to days	30–120 minutes
Specific surface area (m²/g)	200–600 (effective)	400–900	1000–1500	200–700
Regeneration potential	Excellent (>5 cycles)	Good (3–5 cycles)	Moderate	Moderate

בעוד פחמן מופעל יש שטח משטח דומה, גדלים קטנים יותר ב- GO לספק שטח נגיש גבוה יותר עבור מחייב מתכת.יתר על כן, קבוצות החמצן ליצור זיקה מחייבת חזקה יותר.לדוגמה, GO מראה הסרת יוצאת דופן של Pb2+ עם יכולות דיווח מעל 2000 מ"ג / g בתנאים pH מותאם אישית, הרבה על פני רוב החומרים. Kinetic מחקרים מראים כי מודעות מגיעה איזון בתוך דקות עקב מסלולים קצרים ודחוסים גבוה.

בסינון membrane, membranes להוכיח מעל 99.9% דחייה של צילומי מתכת כבדים במבחנים חד-צדדיים, עם פלוקס מים עד 10-100 L / m2 /h /bar, בהתאם לשקידה הדדית עובי membrane.זה תחרותי עם ננומטרציה membranes אבל עם דרישות אנרגיה נמוכות יותר בגלל שכבת דקסלקטיבי.

הסרת מתכת כבדה ספציפית

(FLT:0Lead (Pb2+)FearLT:1; מרכיבים ממושמעים פונקציונליים מראים זיקה יוצאת דופן בשל תיאום חזק עם קבוצות carboxyl ו hydroxyl.p>5 ממקסמים את ההסרה (עד 99.9%). מגנטי GO (GO-Fe3O4) מאפשר הפרדה קלה לאחר פרסום.

(ב) ⁇ :0)Cadmium (Cd2+)IRLT:1: הסרת יעילות (90-99%) באמצעות GO ב- pH 6–8. Thiol-functionalized GO משפר את הסלקטיביות בנוכחות של בצלים מתחרים.

(ב) ⁇ :0 (Cr(VI)) ⁇ 1: Anionic Cr2O72 - הוסר על ידי Protonated amine-functionalized Go או על ידי הפחתת Cr(III).

(ב) ⁇ (כ-II)/(V)reas)FLT:1: Iron oxide-GO Complexs (למשל, GO-α-FeOOH) להשיג מודעות גבוהה של שני המינים. As(II) הוא נייטרלי וקשה יותר להסיר, אך חמצון ל- AS(V) ואחריו מודעות הוא יעיל.

(FLT:0)Mercury (Hg2+)אנדרל 1: Thiol-או dithiocarbamate-functional-functionalized גרפן מציג באופן יוצא דופן בחירה גבוהה ויכולת (1000 מ"ג / g) עבור Hg2+, חיוני להסרת נוירוטוקסין רב עוצמה זו.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

בעוד שרוב המחקרים הם בקנה מידה מעבדה, מחקרים פיילוט מבטיחים להראות פוטנציאל תרגום.לדוגמה, ביולוגי מנברן המשלב את קרום GO מושג > 95% הסרת מתכות כבדות מרובות ממי פסולת תעשייתית בפעולה רציפה במשך 30 ימים (מקור: FLT:0 ScienceDirectFLT:1) מחקר נוסף השתמש בגרף תלת מימדי של 3-ממדי של פחמן עם פולירופאדמין לטיפול בציפוי, כדי להפחית את זרימתם של 5b2 ל- 10 / ph מתחת ל- 10.

ניסויים בשטח כפריים הודו העסיקו מסננים חול מבוהלים עבור הסרת השימוש של ארסן ופלואוריד.הציפוי גרפן גדל יעילות הסרת על ידי 300% בהשוואה חול גולמי (הדווח ב FLT:0ACS ES & TLACFLT:1) דוגמאות אלה מדגישות כי חומרים מבוססי גרפן אינם רק חומרים מעבדה אלא יכולים להשתלב במערכות טיפול סבירות, סבירות.

אתגרים ומגבלות

למרות ביצועים יוצאי דופן, כמה מההידים לא מזהמים נרחבים:

עלויות הייצור

גרף גבוה של מטבוליזם, חמצון חזק, ותהליכים אנרגיה-רגישים לעשות את הייצור גבוה באופן משמעותי יותר מאשר סורנטים קונבנציונליים (המוערכים - $ 100 / ק"ג לעומת 1-10 / ק"ג פחמן פעיל). עם זאת, ההתקדמות האחרונה ב אלקטרוכימי exfoliation ו גרף מבזבזני עשוי להפחית עלויות.

סקלאה

הפחתת אחידות, מלמבריונים ללא פגם על אזורים גדולים מאתגרת.שיטות רול-טו-ולולות הן בפיתוח אך עדיין לא בוגרות.

יציבות במים אמיתיים

חומר אורגני טבעי (NOM), cations דיפרון (Ca2+, Mg2+), ו- pH משתנה יכול להטעות קרומבריונים או להתחרות באתרים פעילים.NOM לעתים קרובות מקטין את יכולת המודעות של GO על ידי חסימת pores או יצירת קומפלקסים עם מתכות שמשנות מנגנונים להסרת.

סיכונים בריאותיים וסביבתיים של ננו-חומרים

שחרור ננוגלי גרפן לתוך הסביבה מעלה חששות לגבי רעילות. בעוד ש- GO מראה רעילות בינונית לאורגניזמים קוהטיים, גורלה הארוך, ביוקבולציה, ואפקטים על מיקרוביומים באדמה נשארים תחת חקירה.

חידוש והתחדשות

למרות חומרים רבים ניתן לשחזר באמצעות כביסה חומצית או שיטות אלקטרוכימיות, מחזורים חוזרים בהדרגה להפחית את היכולת בשל מחייב בלתי הפיך, אובדן שטח פני השטח, או השפלה מבנית.פיתוח נתיבי חידוש חזקים הוא מוקד של מחקר מתמשך.

מגמות מתפתחות וכיוונים עתידיים

התחום מתפתח במהירות, עם מספר כיוונים המציגים הבטחה:

סינתזה ירוקה של גרפן

חוקרים חוקרים חוקרים את הבשורות הביו-דריביות (לignin, cellulose, Food Waste) ואת החמצן השוני לסביבה (למשל, H2O2 במקום KMnO4) כדי לייצר את GO עם רעילות נמוכה יותר ועלות.

מורכב רב-תפקוד

שילוב של גרפן עם MOFs, מסגרות אורגניות קוהור (COFs), או הידרוקסידים שכבתיים (LDHs) מניב חומרים היברידיים עם תכונות סינרגיסטיות. לדוגמה, GO / ZIF-8 MOF-8 מתחרות משלבת porosity גבוהה עם מחייב מתכת סלקטיבית, השגת יכולות פורצות שיא (עד 3000 מ"ג עבור Pb2+).

מערכות היברידיות Photocatalytic

שילוב גרפן עם מוליכים למחצה קלים-פעילים (למשל, g-C3N4, Ag3PO4, B2WO6) מאפשר הסרת מתכות כבדות תוך כדי דהור של אבקות אורגניות. גישה כפולה זו אטרקטיבית במיוחד לטיפול יעיל תעשייתי.

פילטרים חכמים ותגובה

גירוי גרפין סטרימול-responsive יכול להתאים את התכווצויות בין-שכבות בתגובה ל- pH, טמפרטורה או אותות חשמליים.פילטרים "חכמים" כאלה מאפשרים שליטה על דרישה של ההצתה והדחייה, שיפור הספציפיות והפחתת הפגיעות.

למידה מכונה עבור אופטימיזציה

מודלים של למידת מכונות שהוכשרו על נתונים מפרסום יכולים לחזות תנאים סינתזציות אופטימליים, יחסי הפונקציונליזציה, ופרמטרים תפעוליים עבור מתכות מטרה, עלייה בגילוי חומרים.מחקרים אחרונים (למשל, FLT:0 דוחות מדעיים טבע FLT:1) להפגין > 90% דיוק בחיזוי יכולות מודעות.

מאמצי תגמול וסטנדרטיזציה

כפילטרים מבוססי גרפן ליד בגרות מסחרית, פיתוח סטנדרטים בינלאומיים לבדיקת ביצועים (למשל, ISO/TC 229) והערכה בטיחותית (למשל, הנחיות ה-OECD עבור ננו-חומרים) הוא חיוני לקבל קבלה רגולטורית ואמון ציבורי.

מסקנה

חומרים המבוססים על Graphene מייצגים שינוי פרדיגמטי בסינון מים מתכת כבד, המציע יעילות חסרת תקדים, מהירות, טונהייה. האזור החיצוני יוצא דופן שלהם בשילוב עם פונקציונליות רבת-תכליתית מאפשרת הסרת ספקטרום רחב של מתכות רעילות - מעופרת לאסרנית - לעתים קרובות לרמות תת-pb בתוך דקות ספורות.המעבר מתוצאות מהירות בקנה מידה מעבדה ועד מערכות טיפול במים מסחריים הוא מתקדם, על ידי התקדמות בתהליכים סטנדרטיים, עיצוב, במיוחד, ותהליך אחסון סביבתי, עם לחץ, במיוחד, עם יציבות סביבתית, עם אתגרים סביבתיים, עם התקדמות, עם יציבות, כולל, עם אתגרים, עם יציבות, עם יציבות, עם התקדמות, כולל, כולל, עם התקדמות, עם אתגרים סביבתיים, עם התקדמות, עם לחץ, עם יציבות, עם לחץ, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם איכות הסביבה, עם אתגרים סביבתיים, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, כולל לחץ סביבתית, עם התקדמות, כולל, כולל, עם התקדמות, עם אתגרים סביבתיים, עם אתגרים סביבתיים, עם התקדמות, עם התקדמות, עם התקדמות, כולל, כולל, כולל, עם התקדמות, עם התקדמות,