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| 膨脹石墨制備及在環(huán)境保護中的應用現狀 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-12-03 11:21:17 瀏覽次數： |
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（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）作為一種新型功能性碳素材料，膨脹石墨(Expanded Graphite，簡(jiǎn)稱(chēng)EG)是由天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀物質(zhì)。EG 除了具備天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤滑等優(yōu)良性能以外，還具有天然石墨所沒(méi)有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調性、生物相容性、耐輻射性等特性。因為膨脹石墨具有很大的孔隙體積，并且具有多層次、豐富的微孔結構,具有很大的吸附性能，可廣泛用于從水中吸附和分離油類(lèi)和有機大分子。另外，膨脹石墨基本由純碳組成，無(wú)毒并且具有化學(xué)惰性，所以對環(huán)境不會(huì )造成二次污染。這預示了膨脹石墨在環(huán)境污染治理中可起到重要作用。
目前國內外對于膨脹石墨的研究主要著(zhù)重于以下幾個(gè)方面：膨脹石墨制備方法的研究、膨脹石墨基復合材料的制備、結構分析和應用研究。其中，制備方法研究主要包括不同石墨原料的選擇、插層方法的優(yōu)化、插層劑的選擇、插層條件的選擇等。膨脹石墨的應用涉及儲熱能源、制作煙幕材料、作為吸附劑等很多方面。
1 膨脹石墨的制備
1.1 膨脹石墨的制備方法
目前，國內外制備膨脹石墨主要使用的方法包括：化學(xué)氧化法，超聲輻射法，電化學(xué)法，氣相擴散法及熔鹽法等。其中化學(xué)氧化法和電化學(xué)法是工藝上應用比較廣泛的方法。圖1 為天然鱗片石墨、可膨脹石墨(GIC)和膨脹石墨(EG)的SEM 圖。
 天然鱗片石墨為層狀結構，層間比較緊密；圖1(b 和c)中，GIC 仍保持層狀結構，但在表面形貌上卻有著(zhù)明顯不同，GIC 由馬弗爐膨脹后生成的EG 的形貌類(lèi)似于蠕蟲(chóng)，且是由很多粘連、疊合的石墨鱗片構成的，片層之間形成許多蜂窩狀或網(wǎng)狀的多邊形微細孔隙。
但是由于化學(xué)氧化法一般以濃硫酸為插層劑，氧化劑一般為發(fā)煙硝酸、重鉻酸鉀等物質(zhì)，導致該工藝耗酸量大，生產(chǎn)過(guò)程會(huì )產(chǎn)生有害氣體和重金屬污染，電化學(xué)法具有制備的膨脹石墨穩定性差，工藝耗電量大等缺點(diǎn)，這使越來(lái)越多的研究者開(kāi)始探索制備膨脹石墨的新工藝，或者在以前的技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)。目前膨脹石墨基復合材料是研究的熱點(diǎn)。
1.2 膨脹石墨制備方法的改進(jìn)和完善
1.2.1 低硫或無(wú)硫可膨脹石墨的制備
甄捷等人用少量濃硫酸和高錳酸鉀作為氧化劑，采用三氯化鐵作為插入劑來(lái)制備低硫可膨脹石墨；魏興海等人，選用高錳酸鉀作為氧化劑同時(shí)在高氯酸和冰醋酸混合酸溶液中制備無(wú)硫可膨脹石墨。李冀輝等成功地研究制備出完全擁有知識產(chǎn)權的不使用濃硝酸、稀硝酸等含硝基化合物的不含硫的、低溫可膨脹的多功能碳材料的制備方法，并采用這些技術(shù)制備了多功能碳材料，為生產(chǎn)市場(chǎng)需要的該種多功能碳材料提供了技術(shù)。
1.2.2 低污染可膨脹石墨的制備
吳澤等人利用硫酸、重鉻酸鉀制備出膨脹體積260 mL·g-1的可膨脹石墨，從而消除了硝酸的危害，認為該方法無(wú)硝酸參與反應，可以減小生產(chǎn)中對環(huán)境的污染；高林改進(jìn)了氧化酸液浸泡法，將混合酸中濃硝酸的體積百分含量由40 %降至2.4 %，從而降低了濃硝酸對浸泡現場(chǎng)的污染，但由于有過(guò)氧化氫參與的反應過(guò)于劇烈不易控制，工業(yè)化生產(chǎn)難以實(shí)現。
1.2.3 微波加熱法制備膨脹石墨
在對可膨脹石墨進(jìn)行高溫膨化的過(guò)程中，常用加熱源有：火焰加熱、激光輻射、微波輻射和等離子體。微波加熱法具有操作安全簡(jiǎn)單、高效節能、成本低、時(shí)間短、耗能少等多方面的優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的方法。朱敏聰、李登新以商用可膨脹石墨作為原材料，運用微波輻射加熱法(MW)，快速地制備出松散態(tài)EG材料。利用SEM 等測試手段測試說(shuō)明，微波法制備的EG 和常規高溫加熱法制備的EG 外觀(guān)形貌沒(méi)有差別。
2 膨脹石墨在環(huán)境保護中的應用現狀
EG 在膨化過(guò)程中形成了獨特的網(wǎng)狀體系，具有多層次、豐富的孔結構和巨大的孔隙體積,具備優(yōu)良的吸附性能，可廣泛用于從水中吸附和分離油類(lèi)和有機大分子等，且其表面非極性，吸附有機污染物后漂浮于液面上，易于清理，用水沖洗能夠反復利用。在環(huán)保領(lǐng)域有著(zhù)廣泛用途，可用作環(huán)境修復材料治理大氣污染和修復水體環(huán)境。
2.1 在廢水處理中的應用
由于它是以大孔、中孔為主，所以與活性炭、分子篩等微孔材料在吸附特性上有所不同，特別適合液相吸附。劉芹芹、張勇等以天然鱗片石墨為原料，通過(guò)改變插層劑濃H2SO4 用量、二次氧化劑類(lèi)型及用量，制備了一系列可膨脹石墨，與常用油品吸附劑(脫脂棉、活性炭)比較，考察其對廢柴油的吸附性能，結果表明：膨脹石墨吸油性能明顯優(yōu)于常用吸附劑，且膨脹體積越大，吸油性越好。
同時(shí)，EG 因其孔隙內表面為非極性，在水中選擇性吸附特性明顯，它對輕質(zhì)油、重質(zhì)油、染料等有著(zhù)較優(yōu)異的吸附性能。將EG 制成石墨板，用來(lái)處理印染廠(chǎng)染料廢水，對COD 的去除率可達40 %。由此可解決油類(lèi)、有機非極性物質(zhì)等污染水造成的環(huán)境污染問(wèn)題。
2.2 在廢氣處理中的應用
工業(yè)廢氣及汽車(chē)尾氣對大氣污染的主要成分為燃燒所放出的SOX 和NOX，而膨脹石墨對其有著(zhù)較好的吸附脫除效果。有資料顯示，在高溫下，吸附效果更好。低溫狀態(tài)下,膨脹石墨對硫氧化物的吸附主要是以物理吸附為主，主要靠膨脹石墨與硫氧化物之間的范德華力作用，高溫(500 攝氏度)時(shí)，膨脹石墨П 電子能量增加，化學(xué)吸附作用大為增加,化學(xué)吸附作用逐漸增強。另有資料還介紹了膨脹石墨對苯、甲醛及二氧化碳也有著(zhù)良好的吸附效果。其中，對二氧化碳的吸附能力最高可達190 mg/g 以上，明顯優(yōu)于活性炭吸附劑。所以，膨脹石墨作吸附劑對治理大氣污染有很重要的意義。
膨脹石墨及其制品作為21 世紀新興的功能和工程材料，隨著(zhù)科技水平的不斷提高，將會(huì )得到很大的發(fā)展，其應用領(lǐng)域將更加廣泛。由于膨脹石墨具有十分優(yōu)越的理化性質(zhì)，又是一種重要的炭素材料，在新型炭基復合材料、生物材料等復合材料方向將大有發(fā)展空間。
從目前吸附劑的發(fā)展趨勢看，尋求一種廉價(jià)可得、來(lái)源廣泛的吸附劑十分重要。改進(jìn)生產(chǎn)膨脹石墨的工藝，加強對孔徑結構及材料表面性狀的研究，制備可控孔徑的高性能膨脹石墨是今后研究的主要方向。膨脹石墨吸附機理的分析可以進(jìn)一步增加對膨脹石墨這種材料結構的了解，目前，有關(guān)于膨脹石墨吸附機理方面的研究相對較少，應加強該方面的研究。這有利于在膨脹石墨表面負載某種物質(zhì)或通過(guò)氧化處理對其表面進(jìn)行修飾，制備特異性能的新型膨脹石墨。
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