淺談納米材料應(yīng)用在水處理中的研究進(jìn)展

佘澤龍

摘 要：隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，環(huán)境問題逐漸受到人們的重視，特別是水污染問題。納米材料作為新型材料，具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點，在水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。本文論述了碳納米材料和金屬及其衍生物納米材料在水處理中的應(yīng)用，包括碳納米管、碳納米纖維、石墨烯族納米材料、納米銀和納米氧化鐵，分析了它們的性質(zhì)和優(yōu)點，闡明了它們在水處理不同領(lǐng)域中的應(yīng)用以及提高其性能的改性方式。最后本文對上述內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并對納米材料今后的發(fā)展和研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米材料；水處理；碳納米管；金屬納米

中圖分類號：X832 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0009-02

1 引言

隨著世界人口的不斷增長，飲用水的需求量也越來越大。據(jù)聯(lián)合國報道，在2013年有近20億人無法獲得清潔和安全的水，到2025年會有約18億人將生活在水資源短缺的情況下。因此，水資源和水治理已經(jīng)成為了社會和政府所關(guān)注的問題。為了滿足純水必須具備的要求，通常使用各種污水處理技術(shù)進(jìn)行凈化，如篩選、過濾、離心分離、沉降等。但是這些技術(shù)中的大部分都依賴于大型系統(tǒng)，并操作復(fù)雜，導(dǎo)致需要很高的資金成本和工程專業(yè)知識。因此有必要研究開發(fā)新技術(shù)以保護(hù)環(huán)境和人類發(fā)展的未來。

隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，各種各樣的納米材料（NMs）已經(jīng)被廣泛用于改善傳統(tǒng)水處理技術(shù)的性能，或者通過各種途徑開發(fā)新方法。納米材料具有納米尺寸（小于100nm），所以其性質(zhì)獨特，如比表面積大、溶解快速、吸附作用強(qiáng)等，能夠提高納米材料對水污染物的選擇性和敏感性，已成功地在廢水中進(jìn)行研究。由于其高效且多功能的過程，基于納米材料的水處理技術(shù)很少依賴于大型儀器設(shè)備。

2 碳納米材料

碳納米材料是一類新型的納米材料，因其特殊的結(jié)構(gòu)，具有很高的吸附能力，被應(yīng)用于水中污染物的吸附。

2.1 碳納米管

碳納米管的一些特性使其吸附過程具有多樣性。例如：（1）碳納米管的總表面積大（比表面積為100-300m2g-1），使其具有高的吸收容量；（2）其表面電荷具有可改造性，能夠?qū)崿F(xiàn)對水中特定污染物的選擇性控制。碳納米管的外表面、內(nèi)部位點、間隙通道和周邊溝槽是四個可能的吸附位點。大部分有機(jī)污染物被吸附在開放式碳納米管的外表面和內(nèi)部位點。碳納米管的外表面可以采用物理非共價包覆、填充碳納米管空腔內(nèi)等方法被官能團(tuán)化，用以吸附有機(jī)和無機(jī)污染物。碳納米管和水體污染物之間主要的相互作用力有共價鍵、氫鍵、離子交換作用等。

碳納米管可以進(jìn)行改性提高性能。Ji等人通過采用刻蝕改性的方法，使碳納米管的比表面積和孔容均明顯增加，對苯酚等有機(jī)污染物的吸附能力顯著增強(qiáng)。

2.2 碳納米纖維

使用碳納米纖維進(jìn)行水吸附處理并非易事，因為它的比表面積為10-200m2g-1，需要活化處理，如熱、氣、蒸汽和化學(xué)處理等，從而獲得改進(jìn)的碳納米纖維。當(dāng)它們在原始狀態(tài)相互交叉時大多為中孔（2-50nm），適合于吸附較大的有機(jī)污染物。相反，表面經(jīng)過處理后，則可以獲得具有微孔（1-2nm）的碳納米纖維，適用于吸附小的無機(jī)污染物。碳納米纖維吸附水體污染物并不容易，很多研究空白還有待填補(bǔ)。與碳納米管相比，碳納米纖維可能會用于捕獲吸附水體污染物的不同位點。

2.3 石墨烯族

研究表明石墨烯家族吸附劑在處理有機(jī)、無機(jī)和生物水體污染物中都有效果。石墨烯是由碳六元環(huán)構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)。石墨烯單層具有2600m2g-1的理論比表面積。但在實際實驗中，由于石墨烯片的彎曲、卷曲或折疊，石墨烯的比表面積通常<500m2g-1，因此要進(jìn)行化學(xué)功能化。由于范德華力弱，表面氧基官能團(tuán)可以增加石墨烯層間距離，并且增加水污染物的表面可用性。

除了官能化之外，基于石墨烯的納米復(fù)合材料顯示出對污染物吸附的協(xié)同作用。氧化石墨烯因具有親水性、分散性，是目前的研究熱點。氧化石墨烯表面含有羥基、環(huán)氧基、羰基等含氧官能團(tuán)，具有優(yōu)良的親水性，可以吸附水中存在的陽離子和堿性分子等，成為活性位點[1]。研究表明，氧化石墨烯在水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可去除重金屬離子及有機(jī)物等污染物。

3 金屬及其衍生物納米材料

金屬及其衍生物納米材料具有高比表面積、高穩(wěn)定性和可重用性等特點，如金屬銀、金屬鐵、氧化鐵、二氧化鈦等。它們中的大多數(shù)已經(jīng)被用作單獨的吸附劑納米顆粒，或者作為其他納米復(fù)合材料的組分。

3.1 納米銀

納米銀具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，比銅等其他金屬抗菌能力更好，在水處理領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。納米銀的制備通常采用還原糖法和生物合成法。前者使用化學(xué)試劑還原銀離子為單質(zhì)銀；而后者利用微生物合成納米銀，條件溫和，不使用還原劑，更加綠色環(huán)保。

納米銀因其抗菌性，可以殺死凈水中的細(xì)菌，如金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等，并且不易產(chǎn)生抗藥性。但對其殺菌機(jī)理的定論還有待進(jìn)一步研究。不僅是飲用水凈化，納米銀也可以處理工業(yè)廢水。染料廢水色度高、有機(jī)物含量多且成分復(fù)雜，所以傳統(tǒng)的技術(shù)難以處理。某些還原劑可將染料中的有機(jī)物分子降解為小分子從而進(jìn)一步降解為無毒物質(zhì)，但速度緩慢。納米銀可以催化加快其反應(yīng)速率，從而提高降解效率。電鍍廢水、焦?fàn)t的煤氣洗滌廢水等通常含有高濃度的氰化物。氰化物具有高毒性，因此必須謹(jǐn)慎處理。目前對于該研究報道較少，有學(xué)者實驗證明用橘皮炭負(fù)載納米銀可加強(qiáng)氰根的去除，納米銀主要起催化作用[2]。

納米銀也可以通過與金屬、非金屬和聚合物等物質(zhì)復(fù)合形成復(fù)合納米材料，提高其殺菌、催化等性能。例如納米銀與鉍系化合物結(jié)合，可以提高其降解染料的效率；納米銀通過粘合劑殼多糖負(fù)載到活性碳纖維上，形成具有優(yōu)良抗菌能力的復(fù)合物。

3.2 納米氧化鐵

磁性納米粒子具有反應(yīng)活性高、豐度高、成本低、易分離、可重復(fù)使用等優(yōu)點。納米氧化鐵是磁性納米粒子的一種，是指鐵的氧化物以及羥基氧化物等納米材料，如Fe2O3、Fe3O4、FeO等。氧化鐵納米材料主要通過物理法、化學(xué)法以及生物法等方法合成，可以通過調(diào)節(jié)合成過程中各因素，如調(diào)控粒徑大小及其分布、化學(xué)組成等，獲得具有不同粒徑大小、磁性以及表面性能的氧化鐵納米材料。氧化鐵納米材料的比表面積大、表面可修飾性強(qiáng)，具有良好的吸附性能，在水處理領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景。

光催化技術(shù)是環(huán)境污染物處理領(lǐng)域的新技術(shù)，可以在光照下將有機(jī)物分子降解為小分子和無機(jī)物分子等。納米氧化鐵中的Fe2O3，由于帶隙較窄，光響應(yīng)范圍廣，具有較強(qiáng)光吸收能力，常作為光催化技術(shù)中最重要的光催化劑，進(jìn)行水處理。

納米氧化鐵材料也可以作為固定化載體應(yīng)用于水處理領(lǐng)域。其具有較好的生物相容性，可以成為微生物固定的載體。許飄[3]等人制備了新型復(fù)合型磁性生物吸附劑，在真菌菌球內(nèi)部包埋Fe3O4，可吸附和富集水體中的污染物，增強(qiáng)了生物吸附劑的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，降低了污染物分子對生物的毒性。

4 結(jié)論與展望

環(huán)境水問題日益嚴(yán)重，水處理研究引起了人們的廣泛關(guān)注。納米材料作為新型材料具有比表面積大、溶解快速、吸附作用強(qiáng)等優(yōu)點，在水處理領(lǐng)域表現(xiàn)出極具潛力的發(fā)展前景。常見的納米材料有碳納米材料、金屬及其衍生物納米材料等。

碳納米管是碳納米材料的一種，吸附效果好，可以對其改性提高性能。石墨烯族納米材料比表面積大，可用于合成復(fù)合材料進(jìn)行吸附，如氧化石墨烯等。碳納米纖維需要改性后用于吸附，還需要投入更多的研究。

納米銀穩(wěn)定性好，能抗菌殺菌，可用于凈水殺菌，也可以作為催化劑處理廢水。納米氧化鐵具有磁性，可以作為吸附劑，或微生物固定化載體，也可以作為光催化劑用于水處理領(lǐng)域中。

納米材料的研究雖然越來越深入，但多數(shù)僅限于實驗室試驗，投入實際運(yùn)用還有很長的路要走。研究方向應(yīng)更加注重納米材料的實踐性。工業(yè)化批量生產(chǎn)納米材料也不是一件易事，需要在合成研究上投入更多精力。此外，納米材料對于生物和環(huán)境的潛在風(fēng)險還有待研究。但總體而言，納米材料在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用是一個發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]柏杉山，鮑艷衛(wèi)，孫秀君，郭翔.納米吸附性材料去除水環(huán)境中污染物的研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2016，36（12）：1-5+21.

[2]劉威，薛文平，孫德棟，等.橘皮炭負(fù)載納米銀催化劑催化氧化含氰廢水的研究[J].煤炭加工與綜合利用，2014，（12）：52-56.

[3]許飄，曾光明，黃丹蓮，賴萃，陳明.氧化鐵納米材料及其在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科學(xué)觀察，2016，11（06）：60-63.