碳納米管在污水處理中的研究進展

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，水體中有機化合物和重金屬引發了嚴重的環境污染問題。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，其具有獨特的多孔和空心結構、較大的比表面積以及與污染物間的多種相互作用，對水相中多種無機和有機污染物具有良好的吸附性能，引起學者廣泛關注。

關鍵詞：碳納米管；吸附；影響因素；研究

廢水處理是利用物理、化學和生物等方法處理廢水，使廢水凈化，減少污染，實現廢水的回收、復用，充分利用水資源。常見的廢水處理方法有：物理法、化學法、物理化學法和生物法。但這些處理廢水的方法都有不同的局限性，比如，生物法運行成本低，但不能吸附完全對微生物有毒副作用；化學沉淀法產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方法，在處理包括印染廢水在內的有機物污染廢水中有著廣泛的應用[1]。CNTs具有疏水性表面、較大的比表面積以及較強的反應活性，具有良好的吸附性能，作為一種高效吸附劑，廣泛的應用在污染水體治理等方面[2]。

1碳納米管對水體中有機物的吸附研究進展

有機污染物是水體污染中的一個常見的污染源，它們作為工農業生產過程中的原始材料和中間產物被有意或無意地排放進入水源。比如說，合成染料是對人體和環境毒性較大的一種有機物，會在環境中存在很長一段時間無法排除。吸附技術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，實驗設備簡單、操作簡便，對有毒物質不敏感或低敏感，吸附過程不產生其它有害物質。

我國率先開展碳納米管對水中有機污染物的吸附去除研究，2003年Peng等[3]和Lu等[4]證實了這種結論：碳納米管對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污染物，Su等[5]采用NaClO改性碳納米管，并應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、結構和表面性能)，使BTEX的吸附量得到很大提高，同時發現pH和離子強度對BTEX的吸附性能影響較小。活性官能團不但能夠改善碳納米管的疏水性，使其利于應用于水相等極性溶劑中，而且增加了碳納米管與其它物質或官能團反應的可能性，并對碳納米管的吸附機理做了探索。

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，五氯苯酚(PCP)吸附結果表明氧化處理后的碳納米管對PCP的吸附能力降低了。同年，Fang等[7]以HNO3氧化雙壁碳納米管，將其應用于去除高氯酸根。研究表明，雙壁碳納米管對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，對比碳納米管氧化前后吸附性能表明，含氧官能團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，從而大幅度提高了改性碳納米管的吸附能力。

2碳納米管對水體中金屬離子的吸附研究進展

水體中另一類污染源主要是重金屬離子，且重金屬在環境中很難降解，如鉛、汞等進入大氣、水、土壤會造成嚴重的環境污染。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域的一個研究熱點。

2001年，清華大學的Li等[8]研究了Al2O3/CNTs 對溶液中氟化物的吸附特性，當水體pH處于5～9時吸附量達到最大；當氟化物平衡濃度為12 mg/ L時，Al2O3/CNTs 對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 表面負載多孔性物質MnO2的研究，通過負載多孔性物質，有效改善了CNTs 在水溶液中的分散性能以及空間位阻效應，MnO2/CNTs和CNTs相比，其比表面積從 211 m2/g提高到275 m2/g；當CNTs上MnO2的負載量從10%增加到30%，其對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)對碳納米管進行共價鍵改性，首先對HNO3和H2SO4的混合酸進行處理，使碳納米管表面氧化產生羧基，然后利用羧基上的?；磻?、酰胺化反應，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，改性后的吸附劑對鈾的最大吸附容量最高可達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%時可滿足飲用水中砷的去除標準，該復合材料對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。此外吸附質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，吸附速度和時間等因素都對吸附有重要影響。吸附劑應該具備吸附能力強、選擇性好、高速、化學性質穩定、成本低、易回收再生、重復使用性能等特點。根據不同的吸附條件選用不同的吸附劑。

4總結和展望

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，仍需要對碳納米管吸附的動力學和熱力學進行深入研究。隨著對CNTs各方面研究的不斷深入和細化，CNTs將在各領域內發揮優勢，進一步推動科技進步和社會發展，為全社會造福。

參考文獻：

[1]樊毓新,周增炎.染料廢水的處理方法現狀與發展前景[J].工程與技術,2002,9: 22～25.

[2]高靜,徐殿斗,馬玲玲等.碳納米管對水體有機污染物的吸附研究進展[J].化工新型材料,2011,39(11): 6-8.

[3]Peng X J,Li Y H,Luan Z K,et al.Adsorption of 1,2-dichlorobenzene from water to carbon nanotubes.Chemical Physics Letter,2003,376: 154～158

[4]Lu C Y,Chung Y L,Chang K F.Adsorption of trihalomethanes from water with carbon nanotubes.Water Research,2005,39: 1183～1189

[5]Su,F.S.,Lu,C.Y.,Hu,S.K.Adsorption of benzene,toluene,ethylbenzene and p-xylene by NaOCl-oxidized carbon nanotubes[J].Colloids and Surfaces a-Physicochemical and Engineering Aspects,2010,353 (1): 83-91.

[6]Salam,M.A.Effect of oxidation treatment of multi-walled carbon nanotubes on the adsorption of pentachlorophenol from aqueous solution: Kinetics study[J].Arabian Journal of Chemistry,2012,5 (3): 291-296.

[7]Fang,Q.L.,Chen,B.L.Adsorption of perchlorate onto raw and oxidized carbon nanotubes in aqueous solution[J].Carbon,2012,50 (6): 2209-2219.

[8]Li,Y.-H.,Wang,S.,Cao,A.,Zhao,D.,Zhang,X.,Xu,C.,Luan,Z.,Ruan,D.,Liang,J.,Wu,D.,Wei,B.Adsorption of fluoride from water by amorphous alumina supported on carbon nanotubes[J].Chemical Physics Letters,2001,350 (5-6): 412-416.

[9]Wang,S.G.,Gong,W.X.,Liu,X.W.,Yao,Y.W.,Gao,B.Y.,Yue,Q.Y.Removal of lead(II) from aqueous solution by adsorption onto manganese oxide-coated carbon nanotubes[J].Separation and Purification Technology,2007,58 (1): 17-23.

[10]Deb,A.K.S.,Ilaiyaraja,P.,Ponraju,D.,Venkatraman,B.Diglycolamide functionalized multi-walled carbon nanotubes for removal of uranium from aqueous solution by adsorption[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry,2012,291 (3): 877-883.

[11]Ntim,S.A.,Mitra,S.Adsorption of arsenic on multiwall carbon nanotube-zirconia nanohybrid for potential drinking water purification[J].Journal of Colloid and Interface Science,2012,375 154-159.

中圖分類號:O 658

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)10-0020-02