納米材料在重金屬水處理方面的應(yīng)用

蘆明霞　牟世娟

摘要：目前重金屬的水污染問題受到人們極大的關(guān)注。納米材料比表面積大，導(dǎo)致其表面能和活性的增大，吸附能力增強(qiáng)。幾乎每一種納米材料的成功誕生，都有涉及環(huán)境工程開展的可能。特別在水處理技術(shù)方面，納米科技的應(yīng)用就獲得了成功。納米材料在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：納米材料；吸附；重金屬；水處理；水資源

中圖分類號(hào)：X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）11-0006-02

一、水資源污染現(xiàn)狀

人類對(duì)水資源的需求正在以驚人的速度擴(kuò)大，同時(shí)日益嚴(yán)重的水污染蠶食了大量可供消費(fèi)的水資源。全世界每天約有200噸垃圾倒進(jìn)河流、湖泊和小溪；所有流經(jīng)亞洲城市的河流均被污染；美國40%的水資源流域被加工食品廢料、金屬、肥料和殺蟲劑污染。2007年底，美國科學(xué)家在為包括首都華盛頓等地區(qū)提供飲用水的波托馬克河發(fā)現(xiàn)奇怪現(xiàn)象，河中一些黑鱸兼具雄性和雌性生理特征，成為雙性“陰陽魚”，而水污染就是最大元兇。過去十年，水污染中的激素成分已在不同國家導(dǎo)致鱷魚、青蛙、北極熊和其他動(dòng)物發(fā)生畸形變異，給全世界敲響了警鐘。我國目前也已經(jīng)進(jìn)入水污染密集爆發(fā)階段，江河湖庫及近海海域普遍受到不同程度的污染，總體上呈加重趨勢(shì)。不適合作飲用水源的河段已接近40%；工業(yè)較發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)河段污染突出，城市河段中90%的河段不適合作飲用水源；城市地下水50%受到污染，水污染加劇了我國水資源短缺的矛盾，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成危害。中國環(huán)境監(jiān)測總站2008年一至四月對(duì)全國地表水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，長江安徽段的巢湖全湖平均為V類；黃河支流渭河的渭南市、淮河支流沙潁河的周口市的國控?cái)嗝嫒繛榱覸類。

水體中的污染物大致可以分為三類：重金屬、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒。其中含重金屬離子廢水的污染尤為嚴(yán)重。重金屬廢水主要來源于采礦、選礦、冶煉、電鍍、化工、制革和造紙工業(yè)，這些行業(yè)產(chǎn)生的含鉛、汞、鎘、鉻、鎳、銅、鋅等重金屬的廢水排入天然水體后，不僅對(duì)水生生物構(gòu)成威脅，而且可能通過沉淀、吸附及食物鏈而不斷富集，破壞生態(tài)環(huán)境，并最終危害到人類的健康。重金屬隨廢水排出時(shí)，即使?jié)舛群苄。部赡茉斐晌：?。重金屬離子及其化合物的毒性，一般都是通過與生物機(jī)體成分的結(jié)合而發(fā)揮作用，與生物體結(jié)合作用越強(qiáng)則毒性越強(qiáng)。自20世紀(jì)50年代在日本出現(xiàn)水俁病和骨痛病，并且查明這是由于汞污染和鎘污染所引起的“公害病”以后，重金屬的環(huán)境污染問題受到人們極大的關(guān)注。發(fā)展重金屬廢水處理技術(shù)，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，而且可以促進(jìn)工業(yè)發(fā)展和人類社會(huì)的進(jìn)步。

二、已開發(fā)出的治理重金屬廢水的技術(shù)

人們從認(rèn)識(shí)到重金屬廢水的危害至今已開發(fā)出多種治理重金屬廢水的技術(shù)，可以歸結(jié)為以下幾種：（1）中和沉淀法；（2）化學(xué)沉淀法；（3）氧化還原法；（4）氣浮法；（5）電解法；（6）生物法；（7）蒸發(fā)和凝固法；（8）離子交換法；（9）吸附法；（10）溶劑萃取法；（11）液膜法；（12）反滲透和電滲析法。在這些方法中，吸附法越來越被重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谏鲜鲋亟饘購U水治理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了多種用于處理重金屬廢水的材料。如楊越冬等用脫乙酰甲殼處理含Pb²⁺廢水；陳泉水用粉煤灰處理含重金屬廢水；楊曉玲用硅藻土處理含Pb²⁺、As³⁺、Cd²⁺的重金屬廢水，日本用蒙脫石處理鑄鐵生產(chǎn)污水，印度的Y.C.Sharma用瓷土（主要成分是高嶺土）處理含Cr6+廢水，發(fā)現(xiàn)吸附效果良好；G.Blanchard等用天然斜發(fā)沸石去除廢水中的Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺等重金屬離子，我國曾用凹凸棒石、粘土處理含Pb²⁺、Cd²⁺廢水，處理后的水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，聶利華等研究了用海泡石處理含鉛、汞、鍋廢水和鍍鎳廢水，經(jīng)海泡石處理過的上述廢水可以達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)；日本的T.Suzuki等研究發(fā)現(xiàn)合成的羥基磷灰石對(duì)重金屬離子（Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Ba2+）具有很好的去除效果。在這些材料中，礦物環(huán)境材料更是人們關(guān)注的重點(diǎn)。而據(jù)報(bào)道，一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氧化鋁的10～20倍，因此能將污水中懸浮物完全吸附沉淀下來。

三、納米材料在重金屬水處理方面的應(yīng)用

當(dāng)物質(zhì)顆粒大小被粉碎到納米量級(jí)（1～100nm）時(shí)，物質(zhì)的表面特征和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大，引起性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；而粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。粒子直徑為10納米和5納米時(shí)，比表面積分別為90m²/g和180m²/g。如此高的比表面積會(huì)出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如無機(jī)納米粒子會(huì)吸附氣體等。據(jù)文獻(xiàn)資料報(bào)道，納米技術(shù)表現(xiàn)出對(duì)空氣中20nm和水中200nm污染物的清除能力是其他技術(shù)不可替代的。

納米材料的基本構(gòu)成決定了它超強(qiáng)的吸附能力。應(yīng)用納米材料的水處理技術(shù)當(dāng)屬納米宏觀應(yīng)用研究范疇。因此納米技術(shù)可以用在水處理產(chǎn)業(yè)中，用于提高水的質(zhì)量。國外有研究者將納米技術(shù)與資源、污染控制聯(lián)系在一起，認(rèn)為納米技術(shù)可以在環(huán)境修復(fù)、低成本脫鹽等領(lǐng)域發(fā)揮作用。美國萊海大學(xué)的環(huán)境工程學(xué)教授張偉賢領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)合成出了一種直徑不到50納米的鐵微粒，這些微粒能以更快的速度使地下水恢復(fù)清潔；我國也有這方面的初步研究，吉林大學(xué)的韓煒教授及其研究小組也利用納米鋁粉制備出AlO（OH）納米纖維，并將AlO（OH）納米纖維與玻璃纖維、活性炭復(fù)合，去除含低濃度重金屬Cd²⁺離子的待凈化溶液效果很好，與傳統(tǒng)的水源凈化方法相比，該技術(shù)成本更低、效率更高。

納米科學(xué)的特點(diǎn)是多學(xué)科的交叉性，由于環(huán)境科學(xué)同樣的學(xué)科復(fù)雜性，幾乎每一種納米材料的成功誕生，都有涉及環(huán)境工程開展的可能。特別在水處理技術(shù)方面，納米科技的應(yīng)用就獲得了成功。納米科技的發(fā)展為水處理工藝的進(jìn)步注入了強(qiáng)大的活力，人類對(duì)“環(huán)境納米學(xué)”的研究正不斷升溫。納米科技研究的不斷深入，納米理論的不斷完善，必將為水處理技術(shù)的發(fā)展插上騰飛的翅膀，環(huán)境保護(hù)工程也將擁有一個(gè)燦爛的明天。

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作者簡介：蘆明霞（1980－），女，山西長治人，吉林大學(xué)珠海學(xué)院公共基礎(chǔ)教學(xué)與研究中心助教，碩士，研究方向：納米材料的制備與應(yīng)用。