排阻有方向嗎
隨著人類社會的飛速發展，水資源的利用程度日益提升，水資源短缺問題受到了人們的廣泛關注。工業生產過程會消耗大量的潔淨水，並相應排出大量難降解廢水，出於經濟方面的考慮，這些廢水的處理方法仍以生物處理為主。
然而，生物處理出水中會殘餘一定量的有機物，出水有機物中包括有難降解物質、降解殘餘物、中間產物、終產物、複雜的有機物，以及溶解性微生物代謝產物，這些有機物中的一部分在後續氯化消毒過程中可被轉化為消毒副產物，與其他難降解的毒性組分一起排放到環境中，會帶來水汙染及其他水環境問題。因此工業廢水深度淨化與資源化對於提升我國水環境質量、緩解我國水資源短缺具有重要意義。
氧化石墨烯薄膜的特點
膜過濾技術是一種汙水處理及深度淨化回用技術，具有出水水質好、能耗低、佔地小、副產物少、易於升級改造等諸多優點，已逐漸成為該領域的主導技術。
氧化石墨烯薄膜淨水原理示意圖
01
氧化石墨烯薄膜研究熱潮的伊始
2012 年，科研人員透過模擬計算預測具有10%孔隙率的奈米多孔石墨烯膜可以在保持有效的鹽離子排斥率下，使膜的過水通量比傳統反滲透膜高出 2~3 個數量級，達到。該發現展示了石墨烯膜遠超出普通濾膜的優異效能，引起了全球範圍內關於石墨烯膜的研究熱潮。
02
氧化石墨烯膜的效能特點
氧化石墨烯透過堆疊奈米片形成層狀結構，為小分子透過提供路徑。尺寸排阻、電荷排斥等是氧化石墨烯膜對水合離子的主要篩分機制。尺寸小於氧化石墨烯奈米通道的離子在氧化石墨烯膜中滲透速度比簡單擴散快。水合半徑大的離子則被石墨烯層與層之間的通道阻斷。因此，透過控制氧化石墨烯奈米片間的層間距，可實現對工業廢水中水合離子的精確篩分。
03
氧化石墨烯膜汙染控制
對於氧化石墨烯膜來說，由於氧化石墨烯具有巨大的比表面積、豐富的 π 鍵、大量的含氧官能團而且未氧化區域有較強的疏水性，可能會透過疏水作用、π-π 作用和靜電作用吸附有機汙染物形成緻密的凝膠層。有機汙染的持續累積可能會堵塞氧化石墨烯膜的水滲透通道，從而引起水通量的下降。工業廢水中除了含有大量有機物外，通常含有一定濃度的二價或高價的金屬離子。這些金屬離子可透過靜電相互作用或者配位架橋作用與膜表面的官能團及其它有機汙染物的羧基官能團相結合，引起有機/金屬離子的複合汙染。隨著膜表面金屬離子濃度的提高，表面架橋作用會增強，並吸附更多的有機汙染物。
此外，雖然氧化石墨烯被證實具有較強的抗菌性，但由於膜汙染初始階段以有機汙染為主。這導致了膜表面形成了一層凝膠汙染層，使細菌不能與氧化石墨烯直接接觸，從而使細菌得以生長造成生物汙染。因此，最理想控制策略是在保持原有滲透性和截留率的同時，有效解決上述膜汙染問題，使氧化石墨烯膜能經濟、高效且穩定地應用於工業廢水的深度淨化與回用。
04
氧化石墨烯膜在工業廢水深度淨化中的應用方式
考慮到氧化石墨烯膜的效能特點及不同工業廢水的處理及回用需求，將氧化石墨烯膜與生物處理裝置聯用以實現工業廢水的深度處理與回用，可能是氧化石墨烯膜的應用方向。
為發揮生物處理的核心作用，受 MBR 工藝啟發，筆者將具有選擇性作用的膜分離工藝與生物處理反應器聯用（見下圖）。這是一種生物反應器-膜分離系統的耦合工藝。該工藝可將經過厭氧/好氧處理廢水中的有機汙染物透過氧化石墨烯膜截留形成有機濃水，截留得到的有機濃水再回流到生化處理段。透過加入氧化劑產生微量的羥基自由基以調諧氧化石墨烯膜表面的官能團，增強膜表面對水分子的吸附，從而在膜表面形成牢固的水分子層來阻擋有機汙染物的粘附，並避免凝膠層形成，最終有效控制了膜汙染的出現。生化-氧化石墨烯膜耦合工藝有望為氧化石墨烯膜在工業廢水深度淨化中的應用提供技術支援，並進一步推動難降解工業廢水的達標排放及回用技術的發展。
生物反應器-膜分離系統的耦合示意圖
總結與展望
氧化石墨烯具有抗氧化性良好、製備成本低廉、過濾及截留效能優異、膜汙染控制相對方便等諸多優異的效能。基於這些特性，氧化石墨烯膜有望在工業廢水的深度處理與回用中得到應用。
目前，氧化石墨烯膜製備及膜汙染控制方面的基礎研究已趨於成熟。隨著應用放大研究的進一步推進，氧化石墨烯膜有望在不久的將來應用於廢水的深度淨化中，為工業及園區汙水的深度淨化及資源化提供新路徑。
公眾號：石墨烯研究院