纳米材料应用于水处理技术的研究进展

2015-01-03孙波孙昊

四川化工 2015年2期

孙波孙昊

（天津现代职业技术学院生物工程学院，天津，300350）

随着经济发展，水耗剧增，我国水污染状况堪忧，用水安全没有保障，水质性水资源短缺问题凸显。因此，废水处理工艺和相应处理药剂的选择与优化已成亟待解决的问题。传统水处理所采用的方法都程度不一的存在成本高、操作难、高耗能、二次污染等不足，同时对待处理水样中的剧毒和难降解污染成分不能有效去除。针对上述状况，目前水处理工艺选择以吸附法为主，针对普通吸附剂存在吸附容量小、无选择性、不易再生等问题，新型高效废水处理材料应运而生［1］，近年纳米材料为基质的水处理剂［2］成为业界的研究主题。

1 纳米技术分析

纳米材料在多领域均有应用，在水处理方面主要用于吸附药剂。其中，由纳米材料研发制备的新型水处理药剂具有环保、低碳等应用技术潜在优势，其与传统水处理剂的技术参数对比情况如表1所示。

表1 纳米材料制备的水处理剂与传统水处理剂的技术特点

纳米材料所制备的新型水处理剂具有传统药剂所没有的技术优势，针对能耗、成本核算、对水体的介入影响等等方面都存在广阔的应用潜力，尽管材料的制备技术参数难度系数大，处理工艺有待进一步研究，但从未来应用远景来评价，纳米材料应用于水处理药剂的研究开发市场潜力巨大。

2 典型纳米材料

当前针对纳米新材料的制备以及应用机理方面的研究日益增多，纳米材料在水处理剂方面具有广阔的应用前景。当前研究、应用的典型纳米材料主要有非金属纳米材料、金属纳米材料、纳米氧化物、纳米膜材料、纳米矿物材料、磁性纳米材料及高分子纳米材料等［3］，如表2。

3 纳米材料在水处理中的应用状况

在水处理中，用于吸附污废水中重金属污染物的非金属纳米材料主要是碳纳米材料，包含有碳纳米管、石墨烯及复合碳纳米材料。

3.1 非金属纳米材料

科研人员［4］对碳纳米管的水处理应用机理进行了研究，针对碳纳米管材料的改性、制备、吸附及催化剂载体的机理等方面进行了分析。并就多壁碳纳米管和复合光催化剂进行了具体的研究，取得相应的数据参数，为该方向的深层次研究奠定了基础。贺金梅［5］等采用超临界技术分析探讨了该条件下对碳纳米管结构的影响效果，证明该材料具有绿色无毒环保的技术特性。其中，刘泊良［6］利用对比试验，证明改性碳纳米管相对于普通碳纳米管对水溶液中铜离子具有更强的吸附效果。

表2 纳米材料类型及典型代表材料

3.2 金属纳米材料

金属纳米材料应用于废水处理的研究很多，由于该处理工艺的方法机理等方向的研究尚不尽成熟，因而大多处于实验室研究阶段。其中，微纳米级铁粉对于工业水处理效果方面的研究具有良好的技术性能体现［7］，纳米铁及其改性材料针对废水中的重金属等污染物去除效果显著［8］。黄园英［9］等以水体中三价砷的去除为研究对象，引入纳米锌作为水处理剂，研究了其吸附机理和最佳的吸附参数，结果表明：纳米锌去除效果优于传统技术方法，在实践中既简化水处理程序又可降低操作成本。

3.3 金属氧化物纳米材料

纳米材料的催化效率优于传统催化剂。目前，纳米材料在催化领域的应用研究主要集中在过渡金属氧化物［10］。

张增光［11］等通过对比四种形态纳米氧化铁（Fe3O4、α－FeOOH、α－Fe2O3、γ－Fe2O3）的吸附、絮凝效果的研究，得出的结论是纳米α－FeOOH实验效果最佳。纳米TiO2材料是重要的光催化剂，在废水中的污染物降解方面具有优良的催化活性和光催化效率，使其在水质修复领域有广泛的应用［12］。李冬梅［13］等通过纳米SiO2与聚合铝PAC的动态混凝实验与静沉实验，研究了纳米SiO2与PAC处理含SDS低浊水的实验机理及实验效果。取得了不同污染浓度条件下SiO2与PAC的处理数据参数。朱孟府［14］等将纳米MgO为催化剂纳入到废水中石油污染物的催化降解实验中，进行了研究，获取了该实验的关键实验参数并取得90%的去除效果，表明纳米MgO应用于微污染水中石油污染物的去除是可行的。

3.4 磁性纳米材料

磁性微纳米材料［15］属于新型的功能材料，在水处理研究中显示其具有优异的吸附性能、化学稳定性高，同时具有易于再生、在固液两相状况下容易分离的技术优点，在水处理领域应用研究广泛。如何开发绿色环保磁性纳米材料，研究低碳高效的磁性纳米材料是该方向的研究趋势。苏洁［16］等采用化学沉淀法加水热的方法制备Fe3O4纳米磁性粒子，确定适当的实验条件，利用XRD、TEM分析Fe3O4粒子的晶体结构及微观结构；利用HPLC研究纳米粒子对模拟废水超声降解的影响，研究结果显示Fe3O4纳米磁性粒子对于实验的模拟废水具有很好的降解效果。

3.5 纳米膜材料

在实验研究中，发现纳米级膜材料所具有耐有机溶剂、抗氯特性、耐污染强度高以及高通量等水处理品质特性［17］，与当前全社会所倡导的低碳、环保应用理念相一致，因此该纳米级膜材料成为制备高性能膜的主要材料，势必成为今后科研工作者研发的主要方向。

其中，赵彦辉［18］等就超硬纳米多层膜选材方案的设计、膜材料的类别、基体的选择条件以及块体材料的设计原理、存在的问题和今后的发展方向进行了研究，其设计理念对多层膜选材、架构设计提供佐证参考。同时，基于高分子纳滤膜材料的水处理技术成熟度相对较高、使其在水处理实践中应用广泛。未来为了适应高温、强腐蚀、高污染等生产实践所面临的极端生产条件，伴随纳米级技术在材料科学领域的探索研究，纳米新材料将不断涌现，其应用价值潜力巨大［19］。

3.6 复合材料

纳米复合材料作为一种新型的水处理材料，整合提升了基质材料的各项水处理数据参数优势，其特有的理化性质，如表3所示。

表3 纳米复合材料的理化性质

其中，李新宝［20］等就石墨烯复合材料对废水中重金属污染物的吸附效果、机理、动力学、热力学进行了研究，同时对该类复合材料的制备现状及应用领域进行了展望。吴慧玲［21］等利用海藻酸钠制备纳米复合材料，其优越的纳米效应在药物基质、抗菌材料、食品包装领域及污废水处置等方面都存在广泛的应用，具有商业化应用开发潜力。

3.7 高分子纳米材料

刘美静［22］等采用离子交联法制备了粒径为200～300nm的纳米壳聚糖颗粒，通过对纳米壳聚糖和壳聚糖原剂的比较研究，发现在同等反应参数条件下，纳米壳聚糖对研究水样的铜离子有更佳的吸附效果。张雯［23］等以细菌纤维素制备的生物纳米材料，归纳总结了近年来细菌纤维素基磁性材料的研究进展，着重归纳了解决磁性膜材料的颗粒团聚问题的方法，并展望了细菌纤维素基磁性材料的发展趋势。