多孔材料在水污染修復(fù)方面的應(yīng)用

摘要：針對(duì)水資源短缺現(xiàn)狀下水污染問題頻發(fā)的問題，以改善水生態(tài)為目的，介紹了多孔材料在水污染修復(fù)中應(yīng)用及局限性，重點(diǎn)對(duì)通過改性來實(shí)現(xiàn)多孔材料的性能提升進(jìn)行了詳盡的闡述，為我國水污染的可持續(xù)利用提供參考，并對(duì)多孔材料的研究進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：水;多孔材料;改性;性能提升

一、水污染現(xiàn)狀

水是人類賴以生存和發(fā)展的生命之源，人類的生產(chǎn)生活離不開水。我國水資源總量十分豐富，但是基于龐大的人口基數(shù)，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，且水資源分布不平衡，占全國面積2/3的長江以北地區(qū)僅擁有全國1/5的水量，在我國2/3的城市存在供水不足問題，被聯(lián)合國認(rèn)定為水資源緊缺國家。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程中，由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的淡薄，科技水平的限制，利益驅(qū)使的亂排亂放等因素，逐漸導(dǎo)致污染物在水體中累積，造成水污染。據(jù)報(bào)道，我國水污染問題嚴(yán)重。在國內(nèi)七大水系的412個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中，水質(zhì)四類以上的點(diǎn)位約占58.2%，在監(jiān)測(cè)的27個(gè)重點(diǎn)湖庫中，僅有2個(gè)達(dá)到了二類水質(zhì)，5個(gè)為三類，4個(gè)為四類，6個(gè)為五類，達(dá)到劣五類的為10個(gè)。我國水污染的來源主要為工業(yè)廢水的超標(biāo)排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷鉀等養(yǎng)分及農(nóng)藥的淋失和禽畜糞便的非法傾倒。水體中主要污染類型為富營養(yǎng)化、有機(jī)污染和重金屬類污染。

二、多孔材料在污染修復(fù)方面的應(yīng)用

水污染常用的修復(fù)方法為吸附法，通過吸附材料將水中的污染物富集到材料表面，再通過固液分離將吸附材料和富集的污染物從水中去除，達(dá)到凈化水體的目的。典型多孔材料（如生物炭）是一種極易獲取、成本低、可再生的環(huán)境友好型材料，因其較大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較豐富的表面基團(tuán)，常用于水中重金屬、有機(jī)污染物等的吸附固定，降低其生物有效性[1]。但是，隨著對(duì)多孔材料吸附性能的深入研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，多孔材料比表面積一定，孔隙結(jié)構(gòu)較為單一，可吸附的污染物有限，吸附過程中還會(huì)吸附一部分水中氫、氧離子，從而減少對(duì)污染物的吸附。研究表明，多孔材料對(duì)砷的吸附率僅為25%～35%[2，3]，吸附性能較低。

（一）多孔材料性能的提升

針對(duì)多孔材料吸附性能有限這一難題，學(xué)者們逐步研究提出了增加多孔材料性能的改良方案，主要包括給通過負(fù)載金屬、礦物、有機(jī)質(zhì)等對(duì)多孔材料進(jìn)行改性[4，5]。單一物質(zhì)改性多孔材料可以提高其吸附性能，以針鐵礦改性多孔材料后對(duì)砷的吸附量可達(dá)65.20mg·kg，吸附性能相比未改性提高了62倍[3]，以氯化鐵改性后對(duì)Cd和鋅的吸附率由2%提高到60%以上[6]。以鋁及其化合物作為材料提升多孔材料吸附能力的研究顯示，負(fù)載鋁后材料對(duì)溶液中As（V）的吸附能力增強(qiáng)[7]。有學(xué)者用錳及其化合物對(duì)多孔材料進(jìn)行改性，結(jié)果顯示改性后對(duì)硝酸根、銅等的吸附能力明顯增強(qiáng)[8，9]。雖然單一物質(zhì)改性后多孔材料的吸附能力有了一定的提升，但其吸附能力并未得到最大限度的開發(fā)。又有研究表明，以兩種物質(zhì)復(fù)合改性可以進(jìn)一步提升多孔材料的吸附效能，其中三價(jià)鐵可以促進(jìn)氧化錳對(duì)土壤砷的固定[10]，鐵錳復(fù)合改性多孔材料對(duì)硝酸根和磷的固定能力強(qiáng)于單一改性[9，11]。

（二）單一改性對(duì)多孔材料的吸附性能的提升

鐵化合物、鋁化合物、錳化合物常被用來改性多孔材料，提高其吸附性能。三價(jià)鐵離子的存在可以與As（Ⅲ或Ⅴ）形成鐵砷共沉淀，促進(jìn)砷的穩(wěn)定化作用[12]。以鐵改性多孔材料可以提高其吸附性能。王思源等的研究表明，多孔材料經(jīng)由鐵和鐵氧化物改性后，C-O和Fe-O官能團(tuán)增加，從而提高了對(duì)氨氮的吸附能力，其中鐵氧化改性多孔材料對(duì)氨氮的吸附能力提高了23.3-24.1%;鐵改性多孔材料對(duì)氨氮的吸附能力提高了14.1-14.3%[13]。唐登勇等人研究表明鐵改性后多孔材料對(duì)水中低濃度磷的吸附量提高了33.6倍[14]。蔣旭濤和遲杰研究也得到類似結(jié)論，鐵改性后多孔材料對(duì)磷的吸附量提高了18.4倍[15]。經(jīng)鋁化合物改性后，多孔材料的吸附性能顯著提升。改性后多孔材料對(duì)氟的吸附能力增強(qiáng)[16]，對(duì)Sb的吸附能力提升1倍左右[17]。鋁結(jié)合態(tài)砷在很多土壤中含量較高，其與鐵結(jié)合態(tài)砷是土壤中砷的主要存在形態(tài)，可占到土壤中砷總量的50%～60%[18]?；阡X與砷的結(jié)合特性，利用鋁改性多孔材料后，其對(duì)溶液中As（V）的吸附能力增強(qiáng)[19]。錳材料因具有比表面積大、表面活性強(qiáng)、電荷零點(diǎn)低、負(fù)電荷量高等特點(diǎn)，常被用來改性多孔材料以提高其吸附性能。有研究表明，以高錳酸鉀改性多孔材料后，對(duì)Sb的吸附能力提高[17]，對(duì)硝酸根的吸附能力增強(qiáng)[8]。但是鐵、鋁、錳單一改性對(duì)多孔材料吸附污染物的能力增強(qiáng)幅度仍然有限，未能最大限度的提升材料的利用效率。

（三）復(fù)合改性對(duì)多孔材料吸附能力的提升

復(fù)合改性后多孔材料的吸附性能明顯優(yōu)于未改性時(shí)，羅海艷等人研究表明，鐵錳改性多孔材料對(duì)土壤鎘的鈍化效果優(yōu)于未改性時(shí)[20]。梁婷等以鈰錳改性多孔材料，研究其對(duì)土壤砷的固定效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，改性后多孔材料對(duì)紅壤、黃壤和紫色土中的砷固定率達(dá)70%以上，而未改性時(shí)其對(duì)土壤中的砷具有活化效應(yīng)[21]。一般認(rèn)為，復(fù)合改性后多孔材料的吸附性能要高于單一改性。鄭曉青等發(fā)現(xiàn)FeCl和KMnO復(fù)合改性多孔材料對(duì)水中硝酸根的吸附能力可達(dá)75%以上，強(qiáng)于單一改性[9]。孫婷婷等研究發(fā)現(xiàn)以FeCl和KIMnO復(fù)合改性多孔材料，其對(duì)低濃度磷的吸附性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵或錳單一改性[16]。王思源等通過改性方法制備鐵改性多孔材料和鐵氧化改性多孔材料。通過吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究不同改性多孔材料對(duì)氨氮的吸附效應(yīng)，結(jié)果表明，鐵氧化改性多孔材料對(duì)氨氮的吸附作用強(qiáng)，相對(duì)于未改性時(shí)，其飽和吸附量提高了23.3%-24.1%，鐵改性多孔材料次之，對(duì)氨氮的飽和吸附量較未改性時(shí)提高了14.1%-14.3%[13]。崔志文等施用KOH和FeCl復(fù)合改性小麥秸稈多孔材料，其對(duì)水中鎘的吸附性能相比KOH單一改性提高了27%[22]。

三、展望

通過多孔材料的應(yīng)用及對(duì)材料吸附性能的改性提升，可以有效地提高多孔材料對(duì)水中污染物的吸附性能，從而達(dá)到凈化水源、改善水生態(tài)環(huán)境、緩解我國水資源短缺和南北分布不均現(xiàn)狀的目的。當(dāng)前，學(xué)者們研究多孔材料的種類集中在生物炭、納米管、氧化鋁空心球、多孔陶瓷等類型，還需對(duì)新材料的制備進(jìn)行深入研究，開發(fā)出成本較低、吸附性能高的高性價(jià)比新材料。對(duì)材料的研究主要集中在提升材料吸附性能方面，而對(duì)材料的循環(huán)利用研究較少，今后要加強(qiáng)在材料循環(huán)利用方面的研究力度和深度，促進(jìn)水污染修復(fù)的循環(huán)健康可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：閆波（1990-），男，山東德州人，碩士，工程師，主要從事污損土地修復(fù)技術(shù)研究。