金属氧化物纳米材料在水处理中的应用

张艳鹤

摘要：纳米技术从诞生到如今的广泛应用，短短三十年拥有着突飞猛进的发展。其中金属氧化物纳米材料凭借着其金属特性与纳米尺寸结合，得到了较强的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能。本文从金属氧化物纳米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能三种维度，分析金属氧化物纳米材料在水处理中的应用。

关键词：金属氧化物;纳米材料;水处理;吸附性能;光催化性能;抗菌性能

1990年7月举办了第一届国际纳米科学技术会议，纳米技术随之诞生，纳米技术主要对对材料的性质和应用进行研究，研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内。金属纳米氧化物指的是粒径达到纳米级的金属氧化物，比如纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米氧化铝，纳米氧化铈，纳米氧化铁等等[1]。纳米材料的概念自80年代初形成开始，就引发了世界科学家的极大关注，而金属氧化物纳米材料的金属特性与纳米尺寸相结合，拥有了独特的性能，让人们意识到金属氧化物纳米材料的应用将会对物理、化学、材料等领域产生极大影响。金属氧化物纳米材料颗粒粒径小且反应活性较高，因此在反应过程中会展现出不同的特性，在水处理的工作中，金属氧化物纳米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能得到了巨大的体现，基于此，本文主要从金属氧化物纳米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能三个方面入手，对金属氧化物纳米材料在水处理中的应用效果进行研究分析。

一、金属氧化物纳米材料吸附性能

纳米材料拥有着大比表面积，因此对于水中的污染物质有着较强的吸附性，部分金属氧化物纳米材料凭借自身的金属特性，在水处理过程中会与污染物质发生反应，达到吸附并可以实现污染物降解的作用，为后续的分离操作提供了便利。吸附性能中常见的金属氧化物纳米材料主要有铁基氧化物、氧化铝以及氧化锌等[2]，在重金属离子以及有机污染物的吸附上有着明显优势。

1、水合铁氧化物（FeOOH）

针铁矿的主要成分水合铁氧化物（FeOOH），对不同重金属离子的选择性也存在差异，主要表现为Cu>Pb>Ni>Co>Mn，同时吸附容量也存在差异，在水处理过程中，对于多种重金属离子存在于水中的情况下，其对Cu（Ⅱ）的吸附量明显大于其他重金属离子。

2、α-Fe2O3

α-Fe2O3是赤铁矿的主要成分，可以通过人工手段增加其表面羟基数量，α-Fe2O3的结构特性使得其拥有较大的吸附容量，可以更好的固化多种重金属离子。

3、γ-Fe2O3与Fe3O4

虽然γ-Fe2O3与Fe3O4和α-Fe2O3都是铁基氧化物，但三者的空间结构不同，γ-Fe2O3与Fe3O4在常温状态下会产生磁性特征，Fe3O4磁性较强，因此在水处理的实际应用中利用这一特性有利于分离工作与后续的循环再生[3]。

4、氧化锌（ZnO）

纳米级别的氧化锌对重金属离子等污染物有着较强的吸附力，具有无毒、成本低等特点，同时不同结构的氧化锌，其吸附容量也不同，因此打开了对金属氧化物纳米材料在结构方面的研究。

为解决团聚与反应床堵塞的问题，可以将金屬氧化物纳米材料与多孔载体进行结合，常见载体有膨润土、氧化铝膜等天然或无机物质[4]。金属氧化物纳米复合材料对重金属离子的吸附能力详见表2。利用金属氧化物纳米材料与污染物的化学反应，可以起到去除有机杂质的效果。

二、金属氧化物纳米材料的光催化性能

光催化是一种在光催化剂作用下的氧化还原反应，可以持续降解有机污染物，具有良好的抗菌除臭性能，能够分解空气中的有毒物质，如甲醛等[5]。二氧化钛（TiO2）作为最早的金属氧化物光催化剂，通过从紫外光吸收光能，可以将水中的一些染料等有机污染物分解成CO2和水。同时，氧化锌（ZnO）、铁氧化物以及二氧化铈（CeO2）也可以起到很好的光催化效果，氧化锌（ZnO）更是可以作为二氧化钛（TiO2）的替代材料，通过自身大比例的吸收太阳光谱能够得到更好的光催化能力，除降解染料意外，还可以对多种农药实现降解。铁氧化物凭借独特的磁性成为光催化剂的一种，拥有着较低的带隙能，也可以实现对有机污染物的降解效果。

三、金属氧化物纳米材料抗菌性

金属氧化物纳米材料是一种无机材料，与纳米有机材料相比，具有更多的选择性，且毒性较低，稳定性较高，结构也更加多样[6]，为研究学者提供了无限的可能。并且相关研究表明，颗粒尺寸越小，抗菌性越强;晶格常数越大，抗菌性越强;颗粒形态与晶体的生长同样影响着抗菌活性。目前在抗菌材料的研究中，使用广泛的是Fe3O4、TiO2以及ZnO等，主要优势在于毒性较小并且成本较低，金属氧化物纳米材料强大的吸附性使得细菌的细胞壁被破坏，失去了细胞壁的保护，细菌逐渐死亡。

四、总结

本研究从金属氧化物纳米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能

三个方面，分析了金属氧化物纳米材料在水处理中的应用，对比了不同金属氧化物对重金属离子以及有机污染物的的吸附容量。虽然大多数金属氧化物纳米材料毒性较低，但大量的金属氧化物纳米材料被投入到水处理当中，是否会影响到生态健康这一问题必须受到重视，还是要增加相关金属氧化物纳米材料的毒性研究，制备出更加完善的材料，真正做到可持续发展，还需要不断的探索与研究。

参考文献：

[1]杨文书.过渡金属氧化物纳米材料的制备及其在分析检测和水处理中的应用[D].中国科学院大学，2014.

[2]张永兴.金属氧化物微纳米结构材料制备及其在水处理中的应用研究[D].安徽：中国科学技术大学，2012.

[3]钟良枢.金属氧化物纳米材料的制备及其在水处理和催化中的应用

[D].北京：中国科学院化学研究所，2008.

[4]宋涛.多孔氮化硼负载金属氧化物纳米颗粒复合材料的合成及其在污水处理中的应用研究[D].河北：河北工业大学，2018.

[5]张健.磁性聚苯胺/金属氧化物复合材料的制备及在环境污水处理中的应用研究[D].江苏：扬州大学，2017.

[6]刘爱荣，周文.石墨烯基金属氧化物纳米复合结构材料的制备及应用于水体中污染物的吸附研究进展[J].科学通报，2014，59（21）：2039-2054.