纳米材料在重金属水处理方面的应用

芦明霞　牟世娟

摘要：目前重金属的水污染问题受到人们极大的关注。纳米材料比表面积大，导致其表面能和活性的增大，吸附能力增强。几乎每一种纳米材料的成功诞生，都有涉及环境工程开展的可能。特别在水处理技术方面，纳米科技的应用就获得了成功。纳米材料在水处理领域的应用开发，具有良好的应用前景。

关键词：纳米材料；吸附；重金属；水处理；水资源

中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0006-02

一、水资源污染现状

人类对水资源的需求正在以惊人的速度扩大，同时日益严重的水污染蚕食了大量可供消费的水资源。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40%的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染。2007年底，美国科学家在为包括首都华盛顿等地区提供饮用水的波托马克河发现奇怪现象，河中一些黑鲈兼具雄性和雌性生理特征，成为双性“阴阳鱼”，而水污染就是最大元凶。过去十年，水污染中的激素成分已在不同国家导致鳄鱼、青蛙、北极熊和其他动物发生畸形变异，给全世界敲响了警钟。我国目前也已经进入水污染密集爆发阶段，江河湖库及近海海域普遍受到不同程度的污染，总体上呈加重趋势。不适合作饮用水源的河段已接近40%；工业较发达城镇河段污染突出，城市河段中90%的河段不适合作饮用水源；城市地下水50%受到污染，水污染加剧了我国水资源短缺的矛盾，对工农业生产和人民生活造成危害。中国环境监测总站2008年一至四月对全国地表水水质监测结果表明，长江安徽段的巢湖全湖平均为V类；黄河支流渭河的渭南市、淮河支流沙颍河的周口市的国控断面全部为劣V类。

水体中的污染物大致可以分为三类：重金属、有机物、细菌和病毒。其中含重金属离子废水的污染尤为严重。重金属废水主要来源于采矿、选矿、冶炼、电镀、化工、制革和造纸工业，这些行业产生的含铅、汞、镉、铬、镍、铜、锌等重金属的废水排入天然水体后，不仅对水生生物构成威胁，而且可能通过沉淀、吸附及食物链而不断富集，破坏生态环境，并最终危害到人类的健康。重金属随废水排出时，即使浓度很小，也可能造成危害。重金属离子及其化合物的毒性，一般都是通过与生物机体成分的结合而发挥作用，与生物体结合作用越强则毒性越强。自20世纪50年代在日本出现水俣病和骨痛病，并且查明这是由于汞污染和镉污染所引起的“公害病”以后，重金属的环境污染问题受到人们极大的关注。发展重金属废水处理技术，不仅有利于环境保护，而且可以促进工业发展和人类社会的进步。

二、已开发出的治理重金属废水的技术

人们从认识到重金属废水的危害至今已开发出多种治理重金属废水的技术，可以归结为以下几种：（1）中和沉淀法；（2）化学沉淀法；（3）氧化还原法；（4）气浮法；（5）电解法；（6）生物法；（7）蒸发和凝固法；（8）离子交换法；（9）吸附法；（10）溶剂萃取法；（11）液膜法；（12）反渗透和电渗析法。在这些方法中，吸附法越来越被重视。随着科学技术的发展，人们在上述重金属废水治理技术的基础上，开发出了多种用于处理重金属废水的材料。如杨越冬等用脱乙酰甲壳处理含Pb²⁺废水；陈泉水用粉煤灰处理含重金属废水；杨晓玲用硅藻土处理含Pb²⁺、As³⁺、Cd²⁺的重金属废水，日本用蒙脱石处理铸铁生产污水，印度的Y.C.Sharma用瓷土（主要成分是高岭土）处理含Cr6+废水，发现吸附效果良好；G.Blanchard等用天然斜发沸石去除废水中的Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺等重金属离子，我国曾用凹凸棒石、粘土处理含Pb²⁺、Cd²⁺废水，处理后的水质达到国家排放标准，聂利华等研究了用海泡石处理含铅、汞、锅废水和镀镍废水，经海泡石处理过的上述废水可以达到国家排放标准；日本的T.Suzuki等研究发现合成的羟基磷灰石对重金属离子（Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Ba2+）具有很好的去除效果。在这些材料中，矿物环境材料更是人们关注的重点。而据报道，一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氧化铝的10～20倍，因此能将污水中悬浮物完全吸附沉淀下来。

三、纳米材料在重金属水处理方面的应用

当物质颗粒大小被粉碎到纳米量级（1～100nm）时，物质的表面特征和晶体结构发生显著改变，纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大，引起性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；而粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90m²/g和180m²/g。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如无机纳米粒子会吸附气体等。据文献资料报道，纳米技术表现出对空气中20nm和水中200nm污染物的清除能力是其他技术不可替代的。

纳米材料的基本构成决定了它超强的吸附能力。应用纳米材料的水处理技术当属纳米宏观应用研究范畴。因此纳米技术可以用在水处理产业中，用于提高水的质量。国外有研究者将纳米技术与资源、污染控制联系在一起，认为纳米技术可以在环境修复、低成本脱盐等领域发挥作用。美国莱海大学的环境工程学教授张伟贤领导的研究小组已经合成出了一种直径不到50纳米的铁微粒，这些微粒能以更快的速度使地下水恢复清洁；我国也有这方面的初步研究，吉林大学的韩炜教授及其研究小组也利用纳米铝粉制备出AlO（OH）纳米纤维，并将AlO（OH）纳米纤维与玻璃纤维、活性炭复合，去除含低浓度重金属Cd²⁺离子的待净化溶液效果很好，与传统的水源净化方法相比，该技术成本更低、效率更高。

纳米科学的特点是多学科的交叉性，由于环境科学同样的学科复杂性，几乎每一种纳米材料的成功诞生，都有涉及环境工程开展的可能。特别在水处理技术方面，纳米科技的应用就获得了成功。纳米科技的发展为水处理工艺的进步注入了强大的活力，人类对“环境纳米学”的研究正不断升温。纳米科技研究的不断深入，纳米理论的不断完善，必将为水处理技术的发展插上腾飞的翅膀，环境保护工程也将拥有一个灿烂的明天。

参考文献

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作者简介：芦明霞（1980－），女，山西长治人，吉林大学珠海学院公共基础教学与研究中心助教，硕士，研究方向：纳米材料的制备与应用。