氧化石墨烯及其還原產(chǎn)物的界面沉積與孔隙遷移規(guī)律.pdf

1、石墨烯衍生物如:氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(RGO)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，必然增加其在環(huán)境中暴露風(fēng)險。環(huán)境中存在的天然還原性物質(zhì)能在特定條件下將GO還原為RGO，這一過程改變GO表面化學(xué)特征，從而影響GO在環(huán)境中的遷移和歸趨。本研究通過天然還原性物質(zhì)抗壞血酸(L-AA)將GO還原為RGO，并通過傅里葉變換紅外(FTIR)光譜和X射線光電子能譜(XPS)表征確認了還原產(chǎn)物RGO表面羥基和環(huán)氧基成分的大幅下降。拉曼光譜表明RGO比G

2、O具有更低的ID/IG值，表明C-O鍵的還原導(dǎo)致表面電子共軛結(jié)構(gòu)和表面缺陷的恢復(fù)。本論文研究了GO與RGO在顆粒團聚、界面沉積、在孔隙介質(zhì)中滯留等方面的特征。
　　1.顆粒團聚。GO/RGO的團聚直接影響到分散液的膠體穩(wěn)定性及后續(xù)的界面沉積與孔隙介質(zhì)滯留過程。實驗證明GO和RGO的電泳遷移率(EPM)均為負值，并隨NaCl和CaCl2濃度的升高而逐漸升高。因此納米顆粒間的靜電排斥作用減弱，GO/RGO水動力學(xué)粒徑增長速率增加，最終

3、達到最大團聚速率，此時兩者的團聚效率常數(shù)為1。在NaCl溶液中，GO和RGO的臨界團聚濃度(CCC)分別為230mM和45mM,說明NaCl在較低濃度條件下即可導(dǎo)致RGO團聚。CaCl2溶液中的CCCGO和CCCRGO為1.1mM和1.3mM,這是由于Ca2+與GO/RGO表面含氧官能團的交聯(lián)作用，促進了顆粒物的團聚，因此表面羧基和羥基含量高的GO能形成更大的水動力學(xué)粒徑。
　　2.界面沉積。GO/RGO在自然界中遷移可能由于界面

4、相互作用沉積在礦物基質(zhì)表面。通過耗散型石英晶體微天平(QCM-D)技術(shù)檢測GO/RGO在礦物基質(zhì)中常見氧化物SiO2和Al2O3表面的沉積動力學(xué)發(fā)現(xiàn):SiO2表面帶負電荷，對GO/RGO具有靜電排斥作用，因此DLVO理論計算得出的顆粒-SiO2表面勢能具有較高能壘，阻礙沉積擴散的速率。電解質(zhì)會降低顆粒-SiO2表面能壘，導(dǎo)致沉積速率的上升。高濃度電解質(zhì)會導(dǎo)致GO/RGO的團聚，顆粒的布朗運動減弱，因而沉積擴散速率。因此在NaCl影響下R

5、GO具有比GO更低的臨界沉積濃度(CDC)和沉積速率（rf)。在CaCl2溶液中，由于DLVO能壘較高，因此兩者rf較低。Al2O3表面正電荷對負電GO/RGO顆粒具有靜電吸引作用，處于有利沉積條件，因此rf比SiO2表面更高。由于GO在低濃度電解質(zhì)中分散穩(wěn)定，因此rf(GO)整體高于rf(RGO)。
　　3.孔隙滯留。分散在水體中的GO/RGO穿過孔隙介質(zhì)時的滯留過程影響著顆粒遷移行為。本研究制作微模型模擬的GO/RGO分散液在

6、二維孔隙中的滯留過程。GO和RGO的團聚體在孔隙中的遷移受到截留、布朗擴散和篩濾作用影響。Al2O3微模型還存在靜電作用，導(dǎo)致在NaCl濃度較低時GO和RGO在收集器的下游區(qū)域和側(cè)壁表面也存在少量附著。而SiO2微模型孔隙中的靜電排斥作用，促使通過布朗擴散運動至收集器的團聚物無法附著在收集器表面，因而滯留主要通過截留機制分布于上游區(qū)域。相比GO，RGO形成更大的絮狀團聚物（一般大于5μm），在低NaCl濃度(40mM)下，就能夠發(fā)生篩濾

7、并最終導(dǎo)致RGO在孔隙中的不規(guī)則分布和孔喉處的物理阻塞，因此RGO具有較低的遷移性能和穿透效果。GO的滯留效率（αT4和αT2)隨NaCl濃度升高而增加，100mM時Al2O3孔隙中的靜電作用導(dǎo)致αT4明顯高于SiO2孔隙中的αT4。在200，300mM時，由于GO團聚體尺寸的增大，在Al2O3和SiO2孔隙中的αT4則相差不大。RGO由于本身的團聚尺寸較大，導(dǎo)致在孔隙中的滯留效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，高濃度NaCl往往會使RGO迅速