碳納米管在污水處理中的研究進(jìn)展

許佳

(普蘭店人社局社保中心，遼寧 大連 116000)

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碳納米管在污水處理中的研究進(jìn)展

許佳

(普蘭店人社局社保中心，遼寧 大連 116000)

摘要：目前，水體中有機(jī)化合物和重金屬引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。吸附法能夠簡單、快速、高效的消除污染物，其核心問題在于吸附材料的選擇。碳納米管是一種新型的吸附材料，其具有獨(dú)特的多孔和空心結(jié)構(gòu)、較大的比表面積以及與污染物間的多種相互作用，對(duì)水相中多種無機(jī)和有機(jī)污染物具有良好的吸附性能，引起學(xué)者廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：碳納米管；吸附；影響因素；研究

廢水處理是利用物理、化學(xué)和生物等方法處理廢水，使廢水凈化，減少污染，實(shí)現(xiàn)廢水的回收、復(fù)用，充分利用水資源。常見的廢水處理方法有：物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。但這些處理廢水的方法都有不同的局限性，比如，生物法運(yùn)行成本低，但不能吸附完全對(duì)微生物有毒副作用；化學(xué)沉淀法產(chǎn)生的大量的泥渣易造成二次污染。而吸附法作為一種重要的物理化學(xué)方法，在處理包括印染廢水在內(nèi)的有機(jī)物污染廢水中有著廣泛的應(yīng)用[1]。CNTs具有疏水性表面、較大的比表面積以及較強(qiáng)的反應(yīng)活性，具有良好的吸附性能，作為一種高效吸附劑，廣泛的應(yīng)用在污染水體治理等方面[2]。

1碳納米管對(duì)水體中有機(jī)物的吸附研究進(jìn)展

有機(jī)污染物是水體污染中的一個(gè)常見的污染源，它們作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的原始材料和中間產(chǎn)物被有意或無意地排放進(jìn)入水源。比如說，合成染料是對(duì)人體和環(huán)境毒性較大的一種有機(jī)物，會(huì)在環(huán)境中存在很長一段時(shí)間無法排除。吸附技術(shù)是處理水體污染物的一種十分有效的方法，其成本較低，使用靈活，實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單、操作簡便，對(duì)有毒物質(zhì)不敏感或低敏感，吸附過程不產(chǎn)生其它有害物質(zhì)。

我國率先開展碳納米管對(duì)水中有機(jī)污染物的吸附去除研究，2003年P(guān)eng等[3]和Lu等[4]證實(shí)了這種結(jié)論：碳納米管對(duì)CHCl3的吸附性能高于活性炭。2008年，研究者開始利用改性處理后的碳納米管去除水中有機(jī)污染物，Su等[5]采用NaClO改性碳納米管，并應(yīng)用于去除水溶液中的BTEX，氧化改善了碳納米管的物理性能(純度、結(jié)構(gòu)和表面性能)，使BTEX的吸附量得到很大提高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)pH和離子強(qiáng)度對(duì)BTEX的吸附性能影響較小?；钚怨倌軋F(tuán)不但能夠改善碳納米管的疏水性，使其利于應(yīng)用于水相等極性溶劑中，而且增加了碳納米管與其它物質(zhì)或官能團(tuán)反應(yīng)的可能性，并對(duì)碳納米管的吸附機(jī)理做了探索。

后來，Salam[6]以H2O2、KMnO4和濃HNO3氧化多壁碳納米管，紅外光譜顯示氧化處理后碳管表面增加了大量的羧基官能團(tuán)，五氯苯酚(PCP)吸附結(jié)果表明氧化處理后的碳納米管對(duì)PCP的吸附能力降低了。同年，F(xiàn)ang等[7]以HNO3氧化雙壁碳納米管，將其應(yīng)用于去除高氯酸根。研究表明，雙壁碳納米管對(duì)PCP的吸附能力均高于單壁碳納米管、多壁碳納米管，共存離子(SO42-、NO3-、Cl-)會(huì)明顯減弱其吸附能力，而共存離子(Fe3+、十六烷基三甲基銨硝酸鹽)則可以提高其吸附性能2～3倍，對(duì)比碳納米管氧化前后吸附性能表明，含氧官能團(tuán)嫁接到氧化后的碳納米管表面，形成了更多的附加吸附位點(diǎn)，從而大幅度提高了改性碳納米管的吸附能力。

2碳納米管對(duì)水體中金屬離子的吸附研究進(jìn)展

水體中另一類污染源主要是重金屬離子，且重金屬在環(huán)境中很難降解，如鉛、汞等進(jìn)入大氣、水、土壤會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。碳納米管作為一種新型吸附材料，近年來已逐漸成為水處理材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2001年，清華大學(xué)的Li等[8]研究了Al2O3/CNTs 對(duì)溶液中氟化物的吸附特性，當(dāng)水體pH處于5～9時(shí)吸附量達(dá)到最大；當(dāng)氟化物平衡濃度為12 mg/ L時(shí)，Al2O3/CNTs 對(duì)氟化物飽和吸附量為14.9 mg /L，是λ-Al2O3的4倍。2007年，Wang等[9]開展了在CNTs 表面負(fù)載多孔性物質(zhì)MnO2的研究，通過負(fù)載多孔性物質(zhì)，有效改善了CNTs 在水溶液中的分散性能以及空間位阻效應(yīng)，MnO2/CNTs和CNTs相比，其比表面積從 211 m2/g提高到275 m2/g；當(dāng)CNTs上MnO2的負(fù)載量從10%增加到30%，其對(duì)Pb2+的吸附量從57 mg/g增至81 mg/g。后來，Ashish 等[10]采用二乙醇酰胺(DGA)對(duì)碳納米管進(jìn)行共價(jià)鍵改性，首先對(duì)HNO3和H2SO4的混合酸進(jìn)行處理，使碳納米管表面氧化產(chǎn)生羧基，然后利用羧基上的?；磻?yīng)、酰胺化反應(yīng)，最終完成DGA碳納米管表面的修飾，將改性后的吸附劑用于去除放射性元素鈾，改性后的吸附劑對(duì)鈾的最大吸附容量最高可達(dá)133.74 mg/g。Ntim等[11]研究利用碳納米管表面修飾ZrO2納米顆粒，ZrO2含量為4.85%時(shí)可滿足飲用水中砷的去除標(biāo)準(zhǔn)，該復(fù)合材料對(duì)As3+、As5+吸附量分別為2 mg/g和5 mg/g。

3吸附的影響因素

影響吸附的因素有很多，其中最主要的因素是吸附劑本身的性質(zhì)。此外吸附質(zhì)的特征及其溶液濃度、溫度、溶液酸堿度，其它組分的種類和濃度，吸附速度和時(shí)間等因素都對(duì)吸附有重要影響。吸附劑應(yīng)該具備吸附能力強(qiáng)、選擇性好、高速、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、易回收再生、重復(fù)使用性能等特點(diǎn)。根據(jù)不同的吸附條件選用不同的吸附劑。

4總結(jié)和展望

目前，仍有許多研究者致力于CNTs水體吸附方面的研究，但依然存在許多問題未能有效解決，仍需要對(duì)碳納米管吸附的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)進(jìn)行深入研究。隨著對(duì)CNTs各方面研究的不斷深入和細(xì)化，CNTs將在各領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，為全社會(huì)造福。

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中圖分類號(hào):O 658

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)10-0020-02