膨胀石墨 环境材料

1、 在十九世纪六十年代初，在十九世纪六十年代初， brodiebrodie将石墨和硝酸、将石墨和硝酸、 硫酸等化学试剂作用后硫酸等化学试剂作用后 加热，发现了膨胀石墨，加热，发现了膨胀石墨， 直到近百年以后，才开直到近百年以后，才开 始应用。始应用。 膨胀石墨是由天然鳞片石墨经插膨胀石墨是由天然鳞片石墨经插 层，水浇，干燥，高温膨化得到层，水浇，干燥，高温膨化得到 的一种疏松多孔的颗粒状新型炭的一种疏松多孔的颗粒状新型炭 材料。既保留了天然炭材料的耐材料。既保留了天然炭材料的耐 腐蚀性，耐热性，耐辐射性，无腐蚀性，耐热性，耐辐射性，无 毒性等性质，又具有天然石墨所毒性等性质，又具有天然石墨所 没

2、有的吸附性，环境协调性，生没有的吸附性，环境协调性，生 物相容性。物相容性。 结构及特性 膨胀石墨是非极性吸附材料，层面由膨胀石墨是非极性吸附材料，层面由 石墨微晶组成，膨胀发生在层面之间，石墨微晶组成，膨胀发生在层面之间， 膨胀过程，活化过程均不发生化学变膨胀过程，活化过程均不发生化学变 化，膨胀石墨保持了原有的非极性。化，膨胀石墨保持了原有的非极性。 膨胀后生成石墨蠕虫，蠕虫的外壁上膨胀后生成石墨蠕虫，蠕虫的外壁上 也有若干孔，这些孔相互连通形成网也有若干孔，这些孔相互连通形成网 络孔隙结构。络孔隙结构。 10001000的时候膨胀最大，体积可达原的时候膨胀最大，体积可达原 初的数百倍。可

3、简单加热再生。初的数百倍。可简单加热再生。 孔隙多为狭缝或由其衍生形成的多边形柱孔和楔形孔，表面孔孔隙多为狭缝或由其衍生形成的多边形柱孔和楔形孔，表面孔 一般为开放孔，内部互连孔有开放孔，半开放，封闭孔三种情一般为开放孔，内部互连孔有开放孔，半开放，封闭孔三种情 况。孔径较宽，孔容积占况。孔径较宽，孔容积占98%98%。 膨胀石墨具有四级孔粒结构。一级一级孔孔为表面为表面v v型开放孔，十几型开放孔，十几 微微米到几百微米。米到几百微米。二级孔二级孔亚片层间柳叶形，横向相互连通，几亚片层间柳叶形，横向相互连通，几 微米到十几微米。微米到十几微米。三级孔三级孔石墨为亚片层内多边形孔，石墨为亚片层

4、内多边形孔，1 1微米到微米到 0.10.1微米量级。微米量级。四级孔四级孔在纳米量级，极少。在纳米量级，极少。 一级孔二级孔三级孔 ， 吸附机理 1膨胀石墨为非极性吸附材料 2膨胀石墨的层面由石墨微晶组成，膨胀后生成大量的蠕虫空腔，孔 隙相互连接形成网络状孔隙结构。适合吸附大分子物质。 3蠕虫空腔表面的非极性，不规则性，高活性本身就具有结合在一起 的趋势，且夹层化合物在高温下迅速分解，气体压力造成孔隙表面层 外缘卷曲，又赋予其表面结构新的边缘活性，形成储油空间 4通过自身的孔隙，利用毛细现象吸附，且大多为物理性的可逆吸附。 5插层物质不同，膨胀的情况也不一样 6膨胀是熵增加的过程，膨胀伴随新

5、的活性点的产生，以及晶格缺陷增 加和悬空键增加，膨胀石墨会自发的吸附其它分子和原子，使自身体系 更趋稳定。 膨胀石墨的合成 1 1 化学氧化法化学氧化法 在100左右，氧化剂与浓硫酸按一定比例配成氧化酸 液，将鳞片石墨浸泡其中，是硫酸根离子插入石墨层间， 与已经被氧化的碳原子结合，生成纳米级复合材料。 常用的氧化剂 k2cr2o7,kmno4,nano3,kclo4,naclo3,hno3,h2o2等 氧化剂的主要作用是打开石墨层的边缘，使得石墨边 缘相邻层面的碳原子相互排斥，增大层面间距，降低 插层反应的活化能，以便插层剂顺利进入插层空间 石墨 预处 理 氧化 处理 氧化 后处 理 膨胀 一

6、般流程一般流程 2 2电化学法电化学法 电化学法是将石墨和辅助阳极一起构成阳极室浸 泡在插层剂电解液中，通以适当的阳极电流，经 过一定的氧化时间后取出，水洗干燥后即可得到 膨胀石墨，用这种方法制得的膨胀石墨含硫量低， 不需添加任何其他氧化剂，通过调节电流电压等 电化学参数控制反应的进行，可以大批量地合成 缺点是，缺点是，对设备对设备的要求的要求较较高，影高，影响产响产品品质质 量的因素量的因素较较多，有多，有时环时环境境温温度的提升可度的提升可导导 致致产产物的膨物的膨胀胀体体积积大幅度下降。大幅度下降。 3 3低硫或无硫膨胀石墨的合成低硫或无硫膨胀石墨的合成 采用硫酸法生产膨胀石墨时，由于制

7、备过程中引 入了硫酸根离子，膨胀石墨中残硫的存在，在使 用过程中易加速金属腐蚀，缩短设备的使用寿命。 因此，低硫或无硫膨胀石墨的研制对于推广应用 至关重要。一种方法是使非强酸类插入剂进入石 墨层间以部分地取代硫酸，从而降低膨胀石墨中 的含硫量。另外一种方法是将传统工艺制备的膨 胀石墨浸泡在草酸和硝酸的混合溶液中，可有效 减少可膨胀石墨中硫的含量，该方法比传统方法 要降低7987的硫含量。 以350ml/g膨胀石墨讨论 膨胀石墨对煤焦油及其馏分的吸附质量比高达膨胀石墨对煤焦油及其馏分的吸附质量比高达1 1：30301 1：6060，且随，且随 着油品的粘度增大，吸附量增加。相对活性炭只有着油品的

8、粘度增大，吸附量增加。相对活性炭只有1 1：3 31 1：4.54.5的的 吸附比。且膨胀石墨的比表面积有吸附比。且膨胀石墨的比表面积有134.48m134.48m2 2/g,/g,而活性炭却有而活性炭却有900900 1000m1000m2 2/g/g 随随着膨胀体积的增大，膨胀石墨的吸附量就越大。而活着膨胀体积的增大，膨胀石墨的吸附量就越大。而活 性炭对各种油品的吸附量较小，且不随油品的变化而变性炭对各种油品的吸附量较小，且不随油品的变化而变 化化。 1溢油污染治理 溢油污染是海洋中最为引人注目 的一种油污染。据估计，因海上 生产、运输、事故、和陆地注入 海洋的油量达400000t/a。膨

9、胀 石墨作为一种疏松多孔的物质， 表面具有丰富的网状结构，和很 高的比表面积，和少量的化学基团，特别适于吸附疏水物质。膨胀石墨 具有从水中吸附矿物油，植物油，以及石油产品的性能，而且既可以 散粒做吸附剂，也可以做成垫板状，毡状、水栅栏和作为过滤介质进 行吸附处理。吸附油以后结成块状浮在水面上，不下沉，便于收集。 1g膨胀石墨可以吸附超过80g重油。 所吸附油品可以通过挤压、加热、或溶解的方 法加以回收 2处理印染废水 已有研究表明，膨胀石墨对活 性染料，酸性染料即直接染料 有吸附脱色作用。250ml/g的膨 胀石墨，对水相中质量浓度为 100300mg/l的酸性媒介黄gg， 脱色率在97%以上

10、。做成低密度 板的膨胀石墨，对水中cod的去 除率也有20%40%的效果。 150ml印染废水，经1g80目250倍膨胀石墨吸附后，色度和codcr均 能达到级排放标准。膨胀石墨低密度板，在一次使用时间上明 显优于活性炭，实用性和经济性有独特优势。 膨胀石墨吸附法是处理印染 废水的主导工艺 3控制大气污染中的应用 对于二氧化硫，硫化氢，一氧化碳，氮氧化物，氨，装潢挥发油， 臭氧等都有吸附效果，用膨胀石墨吸附比较合适。可以利用膨胀 石墨吸附汽车汽油蒸汽，减少碳氢化合物的排放量。 生活环境气体净化 烟气治理 工业废气及汽车尾气对大气污染的主要成分为燃烧所释放出来的 sox,nox。膨胀石墨对sox

11、，nox以及烟气中的金属有较好的吸附脱 除效果。再生处理非常简单，水洗，干燥之后就可以重复使用。 石墨在烟气脱硫中可以不计成本，石墨的消耗也较少，副产品硫 酸可以回收利用。 饮用水中的应用 用膨胀石墨做水净化装置，处理量大，装置紧凑。对浑浊水质用膨胀石墨做水净化装置，处理量大，装置紧凑。对浑浊水质 有澄清作用，对水中含高铁、高锰等无机物质净化效果明显，有澄清作用，对水中含高铁、高锰等无机物质净化效果明显， 对细菌有极好的过滤效果，对氰、氯、酚等有机化合物去除率对细菌有极好的过滤效果，对氰、氯、酚等有机化合物去除率 达达90%90%以上以上 医用 可作为烧伤创面的外用材料。有良好的吸附抗炎效果。

12、各种碳可作为烧伤创面的外用材料。有良好的吸附抗炎效果。各种碳 和碳素材料在人体应用实践表明具有良好的生物相容性，无排和碳素材料在人体应用实践表明具有良好的生物相容性，无排 斥反应，无毒无害，无刺激，无致敏。斥反应，无毒无害，无刺激，无致敏。 在高能电池材料，阻燃防火，军工材料， 上膨胀石墨都有其应用 展望展望 目前国际上对于膨胀石墨处理动态下含微量目前国际上对于膨胀石墨处理动态下含微量乳化乳化油的废水油的废水 吸附性能还没有专门的理论探讨，这吸附性能还没有专门的理论探讨，这将是将是未来重点研究的未来重点研究的 方向。膨胀石墨板材的主要缺方向。膨胀石墨板材的主要缺点是点是抗拉强度低、质脆，在抗拉强度低、质脆，在 一些领域受到限制，如何一些领域受到限制，如何将膨将膨胀石墨板材与长纤维或薄金胀石墨板材与长纤维或薄金 属板组成复合材料属板组成复合材料，既，既保持膨胀石墨板材的特点，又克服保持膨胀石墨板材的特点，又克服 其机械强度其机械强度低的低的不足也是未来开发的重不足也是未来开发的重点。点。我国有着丰我国有着丰富富 的的石墨储量，并以质