奈米零價鐵結合石墨烯的發展與近況

刊登日期:2017/1/5
  • 字級

早期地下水污染處理技術常使用的方法為現場抽出再處理(Pump and Treatment)技術,使用抽出再處理的方法,不僅花費高,所需時間長,需要更多的操作及維護工作,且很難達到預期之處理目標,在停止操作後,水中污染物又會慢慢的從污染源中釋出,長期處理下來,不但花費大量的費用,還面臨無法符合法規規範的窘境。

使用零價金屬在現地還原處理受氯化有機物污染的土壤與地下水,為目前相當成熟的技術。利用零價金屬作為填充材料的滲透性反應牆,由於此法施工容易,操作成本低廉,對於環境也不會有二次污染及傷害,成功開啟地下水中氯化有機物有效處理技術,其示意圖如圖一所示。

圖一、滲透性反應牆示意圖
圖一、滲透性反應牆示意圖

 
傳統零價鐵系統所面臨的問題與相對應的解決方式
添加於系統中之零價鐵的可反應面積為處理水中污染物質的一項重要參數,因此增加零價鐵於處理系統中的量,雖可以有效的加速其對污染物質的處理時間,但增厚的反應牆,卻會妨礙地下水流,且大顆粒之零價鐵,表面經反應後,會形成不具有活性之氧化鐵,使後續的反應性持續下降。

為了能有效持續零價鐵的反應特性,並盡量降低零價鐵的使用量,中國同濟大學張偉賢教授使用奈米等級之零價鐵,應用在受污含水層中進行污染物的分解去除,發現奈米零價鐵可以分解超過100種以上的有機、無機污染物質,對於去除污染物質的反應性相當良好。
 
奈米零價鐵之最大優勢是,因為顆粒小,在飽和含水層可隨著地下水的流動,在土壤顆粒間移動,所以奈米零價鐵在使用上能以直接注入的方式,取代反應牆的建立,不需要直接在受污位址進行挖掘。雖然奈米零價鐵的成本較一般滲透性反應牆使用的鐵礦砂高,但在工程使用上,奈米零價鐵的使用卻免除了大規模的挖掘,也因操作成本的大幅下降,且具有高除污反應特性,使奈米零價鐵的使用,在近年來受到極大的重視。
 
奈米零價鐵結合使用石墨烯的可行性
使用碳材作為奈米零價鐵的載體,除了能有效的分散奈米零價鐵,且碳材具有良好的電子傳導特性,能有效的將還原性電子從零價鐵表面轉移至水中污染物,其兼具高生物相容性的特性,為一環境友善型的材料。石墨烯( Graphene )材料,為目前最具研究潛力的材料。

在2004年英國曼徹斯特大學教授 Geim 和 Novoselov 這一對師徒,簡單利用膠帶重複剝離石墨,發現可以在普通環境中單離出  Graphene,即僅具由二個維度的碳材結構,而共同獲得 2010年諾貝爾物理獎,並發現諸多特殊的物理特性,如高導電性、半整數量子霍爾效應;以及優異的材料特性,如高光穿透性(~98%)、熱的良導體( 5,000 W/mK )、高比表面積( 2,630 m2/g )及導電性( >1,000 S/m )等。在應用層面上,若結合石墨烯與奈米零價鐵,應可以利用石墨烯的平面結構將奈米零價鐵顆粒做有效的區隔,使奈米零價鐵不會因碰撞產生聚集沉澱,且石墨烯具有電子傳導的特性,會將零價鐵表面的電子傳輸出去。
 
在石墨烯被成功單離出來後, 結合石墨烯與奈米粒子結合的應用技術如雨後春筍般大量被開發研究。其中化學氣相沉積法,係一種由小而大的製作方式,能得到最大面積之石墨烯,且具有良好之特性,惟製作成本高,目前較適合使用在價位高之產品應用上。以不同方式的剝離方法,係一種由大而小的製作方式,其因不同之剝離方式,在應用上有不同的趨勢,其相關的比較如圖二所示。但在結合奈米零價鐵與石墨烯的技術上,目前的研究係以.....…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



 圖二、石墨烯製備方式之比較
圖二、石墨烯製備方式之比較

 
作者:李俊錡 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」361期,更多資料請見下方附檔。


分享
為此篇文章評分

相關廠商