改性碳納米材料在污水處理中的吸附機(jī)制及應(yīng)用分析

摘要：隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和人口規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，尤其是有機(jī)污染物和重金屬離子對(duì)水環(huán)境的危害愈加突出。作為傳統(tǒng)的污水處理材料，活性炭、絮凝劑等存在處理效率低、重復(fù)使用率低、處理成本高等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)高效、低成本的水處理材料成為研究重點(diǎn)。碳納米材料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的表面功能性，成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。對(duì)碳納米材料進(jìn)行表面改性，可以顯著提升其對(duì)污染物的吸附能力，其在去除有機(jī)污染物和重金屬離子方面表現(xiàn)出色。研究表明，改性碳納米材料為高效、綠色的污水處理提供重要的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：改性碳納米材料；污水處理；吸附機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-0-03

Adsorption mechanism and application analysis of modified carbon nanomaterials in wastewater treatment

FANG Ruina1，2， ZHAO Xinchen3， ZHAO Fengxue1， LIANG Shanshan1， YAO Xinding1，2

（1. Yellow River Conservancy Technical Institute;

2. Henan Engineering Technology Research Center of green coating materials， Kaifeng 475004， China;

3. Yangtze Three Gorges Technology amp; Economy Development Co.， Ltd.， Beijing 101100， China）

Abstract： With the acceleration of industrialization and the continuous expansion of population size， the problem of water pollution is becoming increasingly severe， especially the harm of organic pollutants and heavy metal ions to the water environment is becoming more prominent. As traditional sewage treatment materials， activated carbon， flocculants， etc. have problems such as low treatment efficiency， low reuse rate， and high treatment cost， therefore， the development of efficient and low-cost water treatment materials has become a research focus. Carbon nanomaterials have excellent physical and chemical properties， such as high specific surface area， good chemical stability， and adjustable surface functionality， making them a research hotspot in the field of wastewater treatment. Surface modification of carbon nanomaterials can significantly enhance their adsorption capacity for pollutants， and they perform well in removing organic pollutants and heavy metal ions. Research has shown that modified carbon nanomaterials provide important technical support for efficient and green wastewater treatment， and have broad application prospects.

Keywords： modified carbon nanomaterials; wastewater treatment; adsorption mechanism

碳納米材料是指分散相尺度至少有一維小于100 nm的碳材料，碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是碳納米材料的主要類(lèi)型之一。碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無(wú)縫、中空的管體，一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。?碳納米管結(jié)構(gòu)獨(dú)特，導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能優(yōu)異，它具有高強(qiáng)度和高韌性，廣泛應(yīng)用于電子學(xué)、能源、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。表面改性是有效提升碳納米材料吸附性能的重要方法，各種污染物能夠?qū)崿F(xiàn)高效吸附與去除。吸附機(jī)制方面，碳納米材料不僅依靠物理吸附和化學(xué)吸附，還通過(guò)氫鍵作用、π-π相互作用等多種非共價(jià)相互作用提高其對(duì)有機(jī)污染物和重金屬離子的吸附能力。探索改性碳納米材料的吸附機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)于推動(dòng)新型水處理材料開(kāi)發(fā)、優(yōu)化現(xiàn)有處理工藝以及提升污水處理效率具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 碳納米材料改性方法

1.1 金屬氧化物改性

經(jīng)過(guò)特定金屬氧化物處理的CNTs表面被有效包裹，這些氧化物與CNTs展現(xiàn)出良好的相容性。金屬氧化物的特性使其成為CNTs理想的表面修飾物質(zhì)。采用n型半導(dǎo)體二氧化鈦對(duì)CNTs進(jìn)行表面修飾，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該復(fù)合材料對(duì)鹽酸四環(huán)素的吸附容量高達(dá)52.33 mg/g，同時(shí)H2O2與TiO2的光催化協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)材料的有效再生。采用稀土元素氧化物氧化鈰對(duì)CNTs進(jìn)行修飾，這種復(fù)合材料顯示出較強(qiáng)的吸附性能，在無(wú)干擾離子的環(huán)境中，水中砷酸鹽的吸附容量能夠達(dá)到10 mg/L，相較于氧化改性方法，具有更佳效果[1]。常規(guī)金屬氧化物也廣泛應(yīng)用于CNTs的吸附研究，二氧化錳可用于對(duì)CNTs進(jìn)行改性，處理含銻（Ⅲ）重金屬污染物的廢水時(shí)，改性后的CNTs吸附效率可達(dá)到97.72%，顯示出其作為吸附材料的優(yōu)秀性能和實(shí)際應(yīng)用的巨大潛力。

1.2 有機(jī)物改性

1.2.1 非共價(jià)鍵改性

非共價(jià)鍵改性是一種常見(jiàn)方法，表面活性物質(zhì)等特定的高分子物質(zhì)附著在CNTs表層，賦予CNTs極性特征，而這一過(guò)程并不破壞CNTs的基本架構(gòu)，屬于一種物理方式的表面處理。科研人員曾采用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl Pyrrolidone，PVP）這種兩親性聚合物對(duì)CNTs進(jìn)行非共價(jià)修飾，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水中亞甲基藍(lán)的有效吸附。試驗(yàn)條件下，pH值為8且PVP濃度為12 mg/L時(shí)，工業(yè)廢水中的亞甲基藍(lán)吸附效果顯著。另外，有研究者利用帶有偕胺肟基團(tuán)的多壁CNTs吸附鈾（Ⅵ）離子，在pH值為5.0的環(huán)境下，其最大吸附量可達(dá)67.9 mg/g。還有研究通過(guò)引入氨基等功能團(tuán)來(lái)改善多壁CNTs的表面，使其對(duì)水中的鉛離子具有85%以上的吸附率，顯示出在水處理中對(duì)鉛離子的有效去除能力[2]。

1.2.2 共價(jià)鍵改性

共價(jià)鍵改性技術(shù)涉及氧化或其他類(lèi)型的化學(xué)反應(yīng)，目的是賦予CNTs表面極性特征，從而提升其性能?？蒲腥藛T曾利用羥基等有機(jī)官能團(tuán)對(duì)CNTs進(jìn)行表面修飾，進(jìn)而研究它們對(duì)磺胺類(lèi)藥物的吸附能力，發(fā)現(xiàn)在pH值約為7的條件下，吸附率達(dá)到最高，水體中的磺胺類(lèi)藥物污染能有效地消除。此外，有研究者采用混合酸處理CNTs，使用濃硫酸和濃硝酸的混合液（體積比3∶1）對(duì)CNTs進(jìn)行表面修飾，研究其對(duì)水中Cr3+的吸附性能，結(jié)果表明，隨著時(shí)間的推移和pH值的升高，吸附能力增強(qiáng)，混合酸處理后的CNTs吸附效果尤為顯著。在對(duì)比研究中，為了探究有機(jī)官能團(tuán)修飾和其他材料改性對(duì)CNTs吸附性能的影響，研究人員對(duì)羥基化、羧基化以及石墨化改性的CNTs進(jìn)行吸附鄰苯二甲酸和甲苯酸的試驗(yàn)。結(jié)果表明，羥基化改性CNTs在吸附能力上最為突出，而石墨化改性CNTs的吸附能力相對(duì)較弱。經(jīng)解吸試驗(yàn)，由于含氧基團(tuán)的作用，前兩種改性CNTs在解吸過(guò)程中存在滯后現(xiàn)象。

2 改性碳納米材料在污水處理中的吸附機(jī)制

2.1 物理吸附機(jī)制

碳納米材料具有極高的比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu)，這些特點(diǎn)使其能夠提供大量的吸附位點(diǎn)。尤其在污水處理過(guò)程中，污染物分子通過(guò)范德華力與碳納米材料表面相互吸引，實(shí)現(xiàn)物理吸附[3]。例如，染料分子、油脂、部分重金屬離子等可以通過(guò)與碳納米材料表面微孔或納米孔的物理接觸進(jìn)行吸附。此外，碳納米材料的疏水性特征促使其對(duì)有機(jī)物的吸附能力較強(qiáng)，這種疏水性使得大分子有機(jī)物在水中的溶解度降低，從而被納米材料表面有效捕捉。由于物理吸附不涉及化學(xué)反應(yīng)，其吸附過(guò)程通常較為快速，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的脫附或再生方法實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)使用，循環(huán)利用價(jià)值良好。

2.2 化學(xué)吸附機(jī)制

改性碳納米材料通過(guò)表面官能團(tuán)的引入，如羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、氫氧基（-OH）等，使其具有更高的親水性和更強(qiáng)的吸附能力。這些官能團(tuán)能夠與水中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或形成配位復(fù)合物，增強(qiáng)吸附能力[4]。例如，氨基團(tuán)可以與水中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子形成絡(luò)合物，顯著提高對(duì)重金屬的去除效率。同時(shí)，表面官能團(tuán)與有機(jī)污染物（如染料、農(nóng)藥等）發(fā)生氫鍵作用或π-π相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)污染物吸附。化學(xué)吸附的優(yōu)勢(shì)在于其吸附容量通常較大，吸附過(guò)程較為穩(wěn)定，不易被簡(jiǎn)單的外界條件改變。然而，這種機(jī)制的缺點(diǎn)在于其吸附過(guò)程較慢，多依賴(lài)于特定的化學(xué)反應(yīng)條件，因此對(duì)于不同的污染物，要調(diào)節(jié)改性方法和優(yōu)化反應(yīng)條件，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效果的最大化[5]。

3 改性碳納米材料在污水處理中的應(yīng)用

3.1 有機(jī)廢水處理

改性碳納米材料在廢水處理中具備良好的有機(jī)污染物吸附能力，特別是在消除諸如染料、農(nóng)藥和藥物殘留等難降解有機(jī)物方面尤為突出。廢水中的有機(jī)污染物往往具有較高的親水性和顯著的分子間引力，常規(guī)吸附劑難以實(shí)現(xiàn)高效的去除效果。然而，經(jīng)過(guò)改性的碳納米材料因其較高的比表面積、多樣的孔隙結(jié)構(gòu)和活性表面基團(tuán)，能夠通過(guò)物理和化學(xué)吸附機(jī)制有效地去除這些污染物。

改性碳納米材料憑借較高的比表面積和微觀(guān)的孔隙結(jié)構(gòu)，為吸附過(guò)程提供豐富的活性位點(diǎn)，從而大幅提升與有機(jī)物的接觸頻次，實(shí)現(xiàn)吸附效果的顯著增強(qiáng)?；钚曰鶊F(tuán)能夠與有機(jī)污染物產(chǎn)生氫鍵作用、靜電吸引或其他化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而增加吸附容量。在去除染料、農(nóng)藥等有機(jī)污染物方面，改性碳納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性吸附特征。針對(duì)那些高分子量的有機(jī)污染物，碳納米材料利用π-π堆疊作用，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的吸附，這種作用特別在芳香環(huán)結(jié)構(gòu)污染物與碳納米材料表面的π電子云之間發(fā)生，從而增強(qiáng)對(duì)這類(lèi)化合物的吸附效果。

3.2 重金屬?gòu)U水處理

改性碳納米材料的表面常常經(jīng)過(guò)功能化處理，如引入羧基、氨基、羥基等官能團(tuán)，這些官能團(tuán)在吸附重金屬離子時(shí)發(fā)揮重要作用。例如，氨基和羧基具有較強(qiáng)的絡(luò)合作用，能夠與水中的重金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物或配位復(fù)合物。以鉛離子（Pb2+）為例，氨基能夠與鉛離子形成配位復(fù)合物，有效提高鉛離子的去除率。此外，改性碳納米材料的表面可以通過(guò)靜電作用與重金屬離子發(fā)生吸附，特別是水的pH值較低時(shí)，表面帶負(fù)電荷的材料能夠有效吸附帶正電荷的金屬離子。

改性碳納米材料的孔結(jié)構(gòu)對(duì)重金屬離子的吸附也起到重要作用。由于其具有大比表面積和納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，改性碳納米材料提供豐富的吸附位點(diǎn)，可以有效容納并吸附水中的金屬離子，進(jìn)一步提高去除率。例如，石墨烯及其衍生物能夠通過(guò)其層狀結(jié)構(gòu)和π-π相互作用增強(qiáng)對(duì)某些重金屬離子的吸附能力。

改性碳納米材料在去除重金屬離子的過(guò)程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的選擇性。在不同pH值的水環(huán)境中，不同的金屬離子與碳納米材料的表面官能團(tuán)發(fā)生的相互作用不同，這使得改性碳納米材料可以根據(jù)具體的污染物特性，進(jìn)行針對(duì)性的去除。

4 結(jié)論

碳納米材料因其獨(dú)特的物理化學(xué)特性，如超高比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，近年來(lái)在污水處理領(lǐng)域取得一定進(jìn)展，特別是在表面改性和多種吸附作用的協(xié)同作用下展現(xiàn)良好的去污能力和再生性能。然而，改性碳納米材料在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性、成本效益以及大規(guī)模應(yīng)用等方面仍需要進(jìn)一步研究。隨著納米技術(shù)和表面功能化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，改性碳納米材料有望在污水處理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，為環(huán)境污染治理提供更高效、綠色的解決方案。

參考文獻(xiàn)

1 于曉彩，于潤(rùn)強(qiáng)，周海林，等.改性碳納米管（CNTs）在水污染處理中的應(yīng)用及再生研究進(jìn)展[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（5）：786-792.

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5 何隆平.納米材料在城市污水處理中的應(yīng)用[J].清洗世界，2023（7）：78-80.

收稿日期：2024-12-11

基金項(xiàng)目：開(kāi)封市科技計(jì)劃項(xiàng)目“無(wú)定形MnO2復(fù)合碳納米管新型活性材料的制備及其對(duì)水體中卡馬西平的降解研究”（2401005）。

作者簡(jiǎn)介：方瑞娜（1986—），女，河南滑縣人，碩士，副教授。研究方向：綠色化工與新型材料制備。