纳米材料在包装印刷废水处理中的应用

王聪聪+詹仪

废水处理是现如今各大小包装印刷企业面临的共同问题，废水的主要来源是制版过程产生的废水，溶剂型油墨中的有机溶剂、有机颜料等，在绿色环保呼声日益高涨的当下，高效、彻底的废水处理技术是包装印刷行业的急迫需求，这不仅能为包装印刷企业的绿色印刷认证之路带来便利，更能在保护生态环境、提高人们生活质量的同时，实现绿色可持续发展。20世纪80年代末期，纳米材料兴起并得到迅速发展，成为科学技术领域的新宠。与普通材料相比，纳米材料比表面积大，表面原子吸附量多，具有较强的吸附性能与光催化降解性能，通过研发人员的不断攻克 ，如今纳米材料已经可以在解决包装印刷行业废水处理问题上发挥重要作用。

纳米材料处理废水的两大原理

1.吸附原理

纳米材料具有表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和介电限域效应。其中，纳米材料的表面界面效应是纳米粒子具备吸附有机污染物的基础，巨大的比表面积使纳米材料表面活性高，容易与其他原子结合，具有很强的吸附性能。

2.光催化原理

纳米半导体光催化剂大多是n型半导体材料，具有区别于金属或绝缘物质的特别能量带，即在价带和导带之间存在一个禁带，当光子能量高于半导体吸收阈值时，半导体的价带电子发生跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子（e-）和光生空穴（h+）。光生电子具有较强的还原性，光生空穴具有较强的氧化性，纳米半导体光催材料利用光生电子（e-）和光生空穴（h+）的氧化反应和还原反应，可以达到有效降解包装印刷废水中有害物质的目的。

用于废水处理的几类纳米材料

1.碳纳米材料

碳纳米材料对包装印刷废水具有较强的吸附能力，但这种吸附能力与废水的浓度、碳纳米材料的含量以及作用温度有关。废水浓度越高、碳纳米材料投入量越多，反应温度越高，碳纳米材料的吸附能力就越强。

经改良的碳纳米材料在对油墨颜料吸附60min后达到一定的平衡，最大吸附容量为101.6mg/g。除此之外，碳纳米材料对包装印刷废水中的Pb2+、Cu2+和Cd2+也具有一定的吸附作用。研究表明，经过硝酸氧化处理的碳纳米材料对废水中的Pb2+和Cu2+吸附能力增强，且吸附能力与废水的pH值有关， pH值越大，碳纳米材料对Pb2+和Cu2+的吸附能力越强。

2.石墨烯纳米复合材料

利用石墨烯纳米复合材料处理印刷废水的途径有两种：一是利用石墨烯比表面积大的特性吸附有机污染物，起到净化废水的作用，改良的磁性石墨烯吸附能力强，可用于吸附油墨颜料、水性油墨中的丙烯酸树脂等有机污染物；二是石墨烯纳米复合材料具有光催化降解性能，可以降解包装印刷废水中的有机污染物，且其光降解能力明显高于纯二氧化钛、氧化锌等光降解材料，并且与二氧化钛相比，石墨烯透明性较好，光谱吸收范围大，光催化性能更强。

3.C60富勒烯

C60富勒烯可以通过吸附离子对和中性络合物，对废水中的Pb2+和Cu2+进行有效吸附。除此之外，C60富勒烯还可以通过π-电子作用吸附胺类、醇类、醛类、羧酸类、硫醇类、酮类以及烃类等有机物，在处理包装印刷废水方面具有重要应用价值。研究表明，C60富勒烯还具有选择吸附性，其选择性吸附作用强于键合硅胶C18。

4.铋复合氧化物

铋复合氧化物以及碳酸氧铋材料可以吸收可见光，且光催化效率高，能高效降解有机物，近年来受到国内外科研工作者的广泛关注。铋复合氧化物的使用不仅拓宽了开发新型可见光催化材料的思路，还为研究光催化性能的影响因素提供了一个潜在的可行途径与理论模型。

5.纳米二氧化钛

纳米二氧化钛不仅是一种固相萃取吸附剂，还是一种光催化剂，具有比表面积大、吸附与光降解重金属容量高的优点。纳米二氧化钛表面覆盖羟基时呈现电负性，可以有效吸附包装印刷废水中带正电的金属阳离子，如Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb以及Zn等金属元素的阳离子。纳米二氧化钛表面吸附速率由二氧化钛纳米粒子的粒径和晶型决定，小粒径锐钛型结构的二氧化钛对污染物的吸附效率高。普通二氧化钛光催化剂通过溶胶-凝胶和水热方法掺杂Fe元素和Ne元素之后，不仅能提高其光催化剂的催化效率，还能扩大其光谱吸收范围。

6.其他纳米材料

纳米碱土金属氧化物可以对包装印刷溶剂型油墨中的苯类物质进行有效化学吸附，这是一种破坏性吸附。经研究表明，纳米碱土金属氧化物对苯类物质的吸附活性顺序为：BaO >SrO > CaO > MgO。此外，稀土氧化物La2O3和CeO2在无氧条件下可以有效吸附油墨中的苯类物质，且La2O3的吸附效率高于CeO2。

应用案例

笔者以某包装印刷企业13ml油墨废水为研究对象，利用纳米二氧化钛p25吸附和光催化降解作用，通过检测废水处理以后的COD值（即化学需氧量）来分析纳米材料的吸附作用，从图1油墨废水降解率与纳米二氧化钛p25加入量的关系可以看出，随着二氧化钛p25纳米材料加入量的增加，13ml油墨废水吸附和降解率不断增大；当二氧化钛p25纳米材料的加入量为0.2～0.6mg时，油墨废水降解速率达到最快；当二氧化钛p25纳米材料加入量为1mg时，吸附和降解率可达95.25%。

二氧化钛光催化剂虽然可以氧化处理包装印刷废水，但是需要在紫外光的照射下才能实现，而太阳光中紫外光只占4%，这无疑限制了二氧化钛光催化剂的光催化性。于是，研究人员便将对其进行升级改良，即纳米活性炭负载TiO2/Ag，这种物质可有效吸附和降解水性油墨中高COD值的污染物丙烯酸树脂，且不受紫外光的限制。

以某包装印刷企业800ml水性油墨废水为研究对象，使用0.8g纳米活性炭负载TiO2/Ag对其进行吸附与光催化降解。如图2所示，在条件相同的情况下，纳米活性炭负载TiO2/Ag与只有紫外光照射的TiO2微粉相比具有更好的吸附和光催化性能。同时，吸附降解相同量的废水，纳米活性炭负载TiO2/Ag的用量比TiO2微粉少十几倍。可见，经改良以后的二氧化钛不仅吸附与光催化效率高，而且用量低，可有效降低成本，提高包装印刷企业的效益。

利用纳米材料来处理印刷废水具有操作简单、价格便宜、可重复利用、不产生二次污染物等优点。经过纳米材料吸附和光催化降解以后的废水达到国家废水排放标准，响应了国家绿色印刷的发展要求。此外，与传统的废水处理发方式相比，纳米材料光催化降解包装印刷废水能耗少，可以减少包装印刷企业解决废水的投入成本，提高企业利润，促进包装印刷行业的可持续发展。endprint