浅谈纳米材料应用在水处理中的研究进展

佘泽龙

摘 要：随着社会的进步和科技的发展，环境问题逐渐受到人们的重视，特别是水污染问题。纳米材料作为新型材料，具有比表面积大、吸附能力强等优点，在水处理领域表现出良好的发展前景。本文论述了碳纳米材料和金属及其衍生物纳米材料在水处理中的应用，包括碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯族纳米材料、纳米银和纳米氧化铁，分析了它们的性质和优点，阐明了它们在水处理不同领域中的应用以及提高其性能的改性方式。最后本文对上述内容进行了总结，并对纳米材料今后的发展和研究方向进行了展望。

关键词：纳米材料；水处理；碳纳米管；金属纳米

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0009-02

1 引言

随着世界人口的不断增长，饮用水的需求量也越来越大。据联合国报道，在2013年有近20亿人无法获得清洁和安全的水，到2025年会有约18亿人将生活在水资源短缺的情况下。因此，水资源和水治理已经成为了社会和政府所关注的问题。为了满足纯水必须具备的要求，通常使用各种污水处理技术进行净化，如筛选、过滤、离心分离、沉降等。但是这些技术中的大部分都依赖于大型系统，并操作复杂，导致需要很高的资金成本和工程专业知识。因此有必要研究开发新技术以保护环境和人类发展的未来。

随着纳米技术的出现，各种各样的纳米材料（NMs）已经被广泛用于改善传统水处理技术的性能，或者通过各种途径开发新方法。纳米材料具有纳米尺寸（小于100nm），所以其性质独特，如比表面积大、溶解快速、吸附作用强等，能够提高纳米材料对水污染物的选择性和敏感性，已成功地在废水中进行研究。由于其高效且多功能的过程，基于纳米材料的水处理技术很少依赖于大型仪器设备。

2 碳纳米材料

碳纳米材料是一类新型的纳米材料，因其特殊的结构，具有很高的吸附能力，被应用于水中污染物的吸附。

2.1 碳纳米管

碳纳米管的一些特性使其吸附过程具有多样性。例如：（1）碳纳米管的总表面积大（比表面积为100-300m2g-1），使其具有高的吸收容量；（2）其表面电荷具有可改造性，能够实现对水中特定污染物的选择性控制。碳纳米管的外表面、内部位点、间隙通道和周边沟槽是四个可能的吸附位点。大部分有机污染物被吸附在开放式碳纳米管的外表面和内部位点。碳纳米管的外表面可以采用物理非共价包覆、填充碳纳米管空腔内等方法被官能团化，用以吸附有机和无机污染物。碳纳米管和水体污染物之间主要的相互作用力有共价键、氢键、离子交换作用等。

碳纳米管可以进行改性提高性能。Ji等人通过采用刻蚀改性的方法，使碳纳米管的比表面积和孔容均明显增加，对苯酚等有机污染物的吸附能力显著增强。

2.2 碳纳米纤维

使用碳纳米纤维进行水吸附处理并非易事，因为它的比表面积为10-200m2g-1，需要活化处理，如热、气、蒸汽和化学处理等，从而获得改进的碳纳米纤维。当它们在原始状态相互交叉时大多为中孔（2-50nm），适合于吸附较大的有机污染物。相反，表面经过处理后，则可以获得具有微孔（1-2nm）的碳纳米纤维，适用于吸附小的无机污染物。碳纳米纤维吸附水体污染物并不容易，很多研究空白还有待填补。与碳纳米管相比，碳纳米纤维可能会用于捕获吸附水体污染物的不同位点。

2.3 石墨烯族

研究表明石墨烯家族吸附剂在处理有机、无机和生物水体污染物中都有效果。石墨烯是由碳六元环构成的二维结构。石墨烯单层具有2600m2g-1的理论比表面积。但在实际实验中，由于石墨烯片的弯曲、卷曲或折叠，石墨烯的比表面积通常<500m2g-1，因此要进行化学功能化。由于范德华力弱，表面氧基官能团可以增加石墨烯层间距离，并且增加水污染物的表面可用性。

除了官能化之外，基于石墨烯的纳米复合材料显示出对污染物吸附的协同作用。氧化石墨烯因具有亲水性、分散性，是目前的研究热点。氧化石墨烯表面含有羟基、环氧基、羰基等含氧官能团，具有优良的亲水性，可以吸附水中存在的阳离子和碱性分子等，成为活性位点[1]。研究表明，氧化石墨烯在水处理领域应用广泛，可去除重金属离子及有机物等污染物。

3 金属及其衍生物纳米材料

金属及其衍生物纳米材料具有高比表面积、高稳定性和可重用性等特点，如金属银、金属铁、氧化铁、二氧化钛等。它们中的大多数已经被用作单独的吸附剂纳米颗粒，或者作为其他纳米复合材料的组分。

3.1 纳米银

纳米银具有稳定的理化性质，比铜等其他金属抗菌能力更好，在水处理领域有广泛的应用前景。纳米银的制备通常采用还原糖法和生物合成法。前者使用化学试剂还原银离子为单质银；而后者利用微生物合成纳米银，条件温和，不使用还原剂，更加绿色环保。

纳米银因其抗菌性，可以杀死净水中的细菌，如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等，并且不易产生抗药性。但对其杀菌机理的定论还有待进一步研究。不仅是饮用水净化，纳米银也可以处理工业废水。染料废水色度高、有机物含量多且成分复杂，所以传统的技术难以处理。某些还原剂可将染料中的有机物分子降解为小分子从而进一步降解为无毒物质，但速度缓慢。纳米银可以催化加快其反应速率，从而提高降解效率。电镀废水、焦炉的煤气洗涤废水等通常含有高浓度的氰化物。氰化物具有高毒性，因此必须谨慎处理。目前对于该研究报道较少，有学者实验证明用橘皮炭负载纳米银可加强氰根的去除，纳米银主要起催化作用[2]。

纳米银也可以通过与金属、非金属和聚合物等物质复合形成复合纳米材料，提高其杀菌、催化等性能。例如纳米银与铋系化合物结合，可以提高其降解染料的效率；纳米银通过粘合剂壳多糖负载到活性碳纤维上，形成具有优良抗菌能力的复合物。

3.2 纳米氧化铁

磁性纳米粒子具有反应活性高、丰度高、成本低、易分离、可重复使用等优点。纳米氧化铁是磁性纳米粒子的一种，是指铁的氧化物以及羟基氧化物等纳米材料，如Fe2O3、Fe3O4、FeO等。氧化铁纳米材料主要通过物理法、化学法以及生物法等方法合成，可以通过调节合成过程中各因素，如调控粒径大小及其分布、化学组成等，获得具有不同粒径大小、磁性以及表面性能的氧化铁纳米材料。氧化铁纳米材料的比表面积大、表面可修饰性强，具有良好的吸附性能，在水处理领域有极好的应用前景。

光催化技术是环境污染物处理领域的新技术，可以在光照下将有机物分子降解为小分子和无机物分子等。纳米氧化铁中的Fe2O3，由于带隙较窄，光响应范围广，具有较强光吸收能力，常作为光催化技术中最重要的光催化剂，进行水处理。

纳米氧化铁材料也可以作为固定化载体应用于水处理领域。其具有较好的生物相容性，可以成为微生物固定的载体。许飘[3]等人制备了新型复合型磁性生物吸附剂，在真菌菌球内部包埋Fe3O4，可吸附和富集水体中的污染物，增强了生物吸附剂的稳定性和机械强度，降低了污染物分子对生物的毒性。

4 结论与展望

环境水问题日益严重，水处理研究引起了人们的广泛关注。纳米材料作为新型材料具有比表面积大、溶解快速、吸附作用强等优点，在水处理领域表现出极具潜力的发展前景。常见的纳米材料有碳纳米材料、金属及其衍生物纳米材料等。

碳纳米管是碳纳米材料的一种，吸附效果好，可以对其改性提高性能。石墨烯族纳米材料比表面积大，可用于合成复合材料进行吸附，如氧化石墨烯等。碳纳米纤维需要改性后用于吸附，还需要投入更多的研究。

纳米银稳定性好，能抗菌杀菌，可用于净水杀菌，也可以作为催化剂处理废水。纳米氧化铁具有磁性，可以作为吸附剂，或微生物固定化载体，也可以作为光催化剂用于水处理领域中。

纳米材料的研究虽然越来越深入，但多数仅限于实验室试验，投入实际运用还有很长的路要走。研究方向应更加注重纳米材料的实践性。工业化批量生产纳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，纳米材料对于生物和环境的潜在风险还有待研究。但总体而言，纳米材料在水处理领域的应用是一个发展趋势。

参考文献

[1]柏杉山，鲍艳卫，孙秀君，郭翔.纳米吸附性材料去除水环境中污染物的研究进展[J].工业水处理，2016，36（12）：1-5+21.

[2]刘威，薛文平，孙德栋，等.橘皮炭负載纳米银催化剂催化氧化含氰废水的研究[J].煤炭加工与综合利用，2014，（12）：52-56.

[3]许飘，曾光明，黄丹莲，赖萃，陈明.氧化铁纳米材料及其在废水处理领域的应用[J].科学观察，2016，11（06）：60-63.