石墨烯在环保行业的应用

石墨烯是最坚硬的材料之一，且具有巨大的比表面积和极佳的导电性等众多优异性能，使其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。通过精确控制多孔石墨烯片层孔径的大小，石墨烯可以像筛子一样将过滤掉海水中的盐而只留下水分子，从而实现海水的快速低成本淡化，为人类提供清洁生活用水。

石墨烯具有巨大的比表面积在吸附领域具有广阔的应用前景。将石墨烯做成三维泡沫结构，不仅可以吸收污水中的燃料、重金属等污染物还可以吸附空气中的SO2、NO等有毒气体，有些石墨烯材料在吸附的同时还能将有害物质转变为毒性较低的物质。石墨烯泡沫吸附后脱吸附较容易，可重复利用，这也大大降低了使用成本。石墨烯巨大的比表面积和优异的导电性使石墨烯可作为载体材料使用，制备高效催化剂，从而催化水中污染物的降解。石墨烯的热导率可达5300W/m·K且石墨烯的热电转化高，这些特性使石墨烯在热工装备及余热利用中具有广阔的应用前景。

海水淡化

根据盐水分离过程的不同，海水淡化技术的分类如图所示。当盐水分离过程中有新物质生成时，则该海水淡化方法属于化学方法，反之则属于物理方法。在物理方法中，利用热能作为驱动力，盐水分离过程中涉及相变的归类为热方法，主要包括多级闪蒸、多效蒸馏、压汽蒸馏、冷冻法和增湿除湿等方法，利用膜(半透膜或离子交换膜等)进行盐水分离且不涉及相变的则归类为膜方法，主要包括反渗透和电渗析等方法，此外，物理方法中还包括溶剂萃取法。而化学方法主要包括水合物法和离子交换法。

海水淡化技术分类

目前海水淡化主要采用两种方法淡化海水，即蒸馏法和反渗透法。蒸馏法主要被用于特大型海水淡化处理上及热能丰富的地方。反渗透膜法适用面非常的广，且脱盐率很高，因此被广泛使用。石墨烯的单层二维结构提供了一个非常大的表面积，有利于离子在石墨烯表面的存储。从理论上讲，平行的片层可以提供更富余的通道，盐离子可以很容易地通过这些通道进入石墨烯薄片的表面；其次，石墨烯片的高导电性可以消除对导电添加剂的需求，使石墨烯基电极材料具有更高的电吸附性能；另外，二维层状结构赋予石墨烯良好的机械柔性，使石墨烯片 易于组装成具有较强的机械稳定性的石墨纸。石墨烯类炭材料一般来说包括石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯等。其中，氧化石墨烯中含有的大量的羧基、羟基和环氧基团等，有利于提高材料的亲水性和与其他溶剂的相容性。石墨烯在海水淡化领域的应用主要包括：太阳能海水淡化、电容去盐以及渗透膜。

污水处理

随着经济的快速发展，水资源短缺的压力越来越大，现代工业废水的乱排乱放、城市垃圾、农村农药喷洒等等，造成本来已是极少的淡水资源加剧短缺，无法为人所用。美国和中国为全球前两大工业废水治理市场，合计占据全球工业水治理市场半壁江山。2016年，全球工业废水处理行业市场规模约为3500亿元左右，其中美国约为950亿元，占全球的比重为27%，中国约为843亿元，占全球比重为24%，欧盟约为630亿元，占全球的比重为18%，日本约为520亿元， 占全球的比重约为15%，其他地区约为557亿元，占全球的比重为16%。

2016年全球工业废水处理市场规模比重

下图是整个水务行业的产业链，可以看出污水处理位于整个水务业的末端，对水务业的循环利用起着至关重要的作用，只有污水处理阶段保持良好的运作才能保证产业链的持续循环。

水务行业的产业链

而石墨烯净水技术不仅在原理上具备较高的可行性，在实验室也取得了许多重大突破。众所周知，活性炭作为一种常见的传统污水处理材料，内部有很多疏松的孔隙，具有很强的吸附能力。而石墨烯特殊的层状和孔状结构，使其吸附能力是活性炭的成百上千倍。石墨烯纳米片（GNS）如石墨烯和石墨烯氧化物（GO） 由于其独特的物理化学性质及其对不同类别有机污染物的亲和力而在水和废水 处理过程中作为下一代吸附剂被广泛研究。在过去的五年中，有超过40篇研究石墨烯和GO吸附不同类型的OC的文章发表在同行评审的期刊上。吸附机制受OC的分子特性（例如，芳香族与脂肪族，分子大小和疏水性），吸附剂的特征 （例如，表面积，孔径分布和表面官能团）以及背景溶液性质（例如pH，离子强度，表面活性剂，NOM和温度）。

大气治理

人类工业化的进程不断加深，自然环境的自洁速率已经远远赶不上人类各种污染的排放速率，环境污染问题迫在眉睫。由于石墨烯具有比表面积大、吸附性能好、化学活性高等优异性能，使其在环保领域具有非常广阔的应用前景，并得到专家学者们的广泛研究。现阶段石墨烯在大气治理领域的应用主要概括为：气体吸附、有害气体检测两个方面。

石墨烯在气体吸附上的应用

挥发性有机化合物(VOCs)在空气和水中是有害的污染物，并从各种不同的试验来源中释放出来，包括石油工业、炼油厂、内燃机、油漆、塑料制造和硅芯片的清洁工艺。即使在很低的浓度下(小于100ppmv)，长期暴露也会导致严重的健康问题，如癌症，肝脏和肾脏的衰竭及呼吸道疾病。吸附法被认为是一种最合理有效的治理空气污染的方法。石墨烯将气体分子吸附到石墨烯表面主要依靠静电吸附作用、色散相互作用、范德华力以及电荷转移来实现的。例如，气相分子和石墨烯之间的电荷转移在吸附点上是完全独立的，但是在取向气体分子和石墨 烯表面是密切联系的。

石墨烯在有害气体检测领域的应用

近年来，环境安全和空气污染问题越来越受到人们的广泛关注。更多的科研人员开始致力于对有害气体的检测、清除等领域的研究。设计和开发更多更新的对有害气体具有高选择性的检测材料显得尤为重要。石墨烯气体传感器可以检测可燃，爆炸和有毒气体，并已广泛用于住宅建筑，工业和矿山的安全监控和过程控制。最近，石墨烯基混合物被广泛研究为具有高灵敏度和选择性的化学阻抗气体传感器。

节能减耗

石墨烯具有高导热性，导热系数高达5300W/m·K，这一特性使石墨烯在热 工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。利用石墨烯材料，结合现有的工艺和设备，可提升技术方案和改进或新建设备，实现能耗的大幅下降，帮助传统产业满足越来越严格的环保法规，获得生存空间。

热电转换

热电材料是一种可以实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料，在温差发电和热电制冷方面具有广阔的应用空间。石墨烯是一种单原子层厚度的二维碳材料，具有特殊的晶体结构和优异的物理化学性质。大量研究表明石墨烯优异的电学性能、超大的比表面积以及多样的边界结构有利于材料电、热性能的协同调控，使其在热电领域有较大的应用潜力。

LED散热领域

石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片，实测的热导率可达到 1000W/mK以上，同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。而散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料，比如苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。

电能替代

石墨烯电热膜是石墨烯为导电介质，通电后激发自身产生远红外线从而起到加热作用。同普通电热膜相比，升温更加均匀，使用寿命更长，具有远红外理疗效果等优点，随着国家电能替代政策的进一步推广和落实，石墨烯在室内采暖领域发展前景可期。

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来源：石墨烯联盟

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