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| 膨脹石墨制備及在環(huán)境保護中的應(yīng)用現(xiàn)狀 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2014-12-03 11:21:17 瀏覽次數(shù)： |
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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，簡稱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有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)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(jié)構(gòu),具有很大的吸附性能，可廣泛用于從水中吸附和分離油類和有機大分子。另外，膨脹石墨基本由純碳組成，無毒并且具有化學(xué)惰性，所以對環(huán)境不會造成二次污染。這預(yù)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(nèi)外對于膨脹石墨的研究主要著重于以下幾個方面：膨脹石墨制備方法的研究、膨脹石墨基復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)，層間比較緊密；圖1(b 和c)中，GIC 仍保持層狀結(jié)構(gòu)，但在表面形貌上卻有著明顯不同，GIC 由馬弗爐膨脹后生成的EG 的形貌類似于蠕蟲，且是由很多粘連、疊合的石墨鱗片構(gòu)成的，片層之間形成許多蜂窩狀或網(wǎng)狀的多邊形微細(xì)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(dǎo)致該工藝耗酸量大，生產(chǎn)過程會產(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(wěn)定性差，工藝耗電量大等缺點，這使越來越多的研究者開始探索制備膨脹石墨的新工藝，或者在以前的技術(shù)上進行改進。目前膨脹石墨基復(fù)合材料是研究的熱點。
1.2 膨脹石墨制備方法的改進和完善
1.2.1 低硫或無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在高氯酸和冰醋酸混合酸溶液中制備無硫可膨脹石墨。李冀輝等成功地研究制備出完全擁有知識產(chǎn)權(quán)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(rèn)為該方法無硝酸參與反應(yīng)，可以減小生產(chǎn)中對環(huán)境的污染；高林改進了氧化酸液浸泡法，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(xiàn)場的污染，但由于有過氧化氫參與的反應(yīng)過于劇烈不易控制，工業(yè)化生產(chǎn)難以實現(xiàn)。
1.2.3 微波加熱法制備膨脹石墨
在對可膨脹石墨進行高溫膨化的過程中，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單、高效節(jié)能、成本低、時間短、耗能少等多方面的優(yōu)點，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 等測試手段測試說明，微波法制備的EG 和常規(guī)高溫加熱法制備的EG 外觀形貌沒有差別。
2 膨脹石墨在環(huán)境保護中的應(yīng)用現(xiàn)狀
EG 在膨化過程中形成了獨特的網(wǎng)狀體系，具有多層次、豐富的孔結(jié)構(gòu)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(fù)利用。在環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛用途，可用作環(huán)境修復(fù)材料治理大氣污染和修復(fù)水體環(huán)境。
2.1 在廢水處理中的應(yīng)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，通過改變插層劑濃H2SO4 用量、二次氧化劑類型及用量，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(jié)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，EG 因其孔隙內(nèi)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、染料等有著較優(yōu)異的吸附性能。將EG 制成石墨板，用來處理印染廠染料廢水，對COD 的去除率可達(dá)40 %。由此可解決油類、有機非極性物質(zhì)等污染水造成的環(huán)境污染問題。
2.2 在廢氣處理中的應(yīng)用
工業(yè)廢氣及汽車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，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良好的吸附效果。其中，對二氧化碳的吸附能力最高可達(dá)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(jì)新興的功能和工程材料，隨著科技水平的不斷提高，將會得到很大的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V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(fù)合材料、生物材料等復(fù)合材料方向?qū)⒋笥邪l(fā)展空間。
從目前吸附劑的發(fā)展趨勢看，尋求一種廉價可得、來源廣泛的吸附劑十分重要。改進生產(chǎn)膨脹石墨的工藝，加強對孔徑結(jié)構(gòu)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一步增加對膨脹石墨這種材料結(jié)構(gòu)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(yīng)加強該方面的研究。這有利于在膨脹石墨表面負(fù)載某種物質(zhì)或通過氧化處理對其表面進行修飾，制備特異性能的新型膨脹石墨。
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