碳納米管及其復(fù)合材料在水中有機(jī)污染物去除中的應(yīng)用

易瀅佳，王 鈺，史 俊，鄧慧萍

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海污染控制與生態(tài)安全研究院，長(zhǎng)江水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著人們對(duì)水環(huán)境關(guān)注度的提高和科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，水中有機(jī)污染物的檢測(cè)和去除成為了研究發(fā)展的重要問(wèn)題，綠色高效材料的制備與應(yīng)用則是其中的熱點(diǎn)方向。

碳納米管(carbon nanotube，CNT)于1991年被正式發(fā)現(xiàn)，作為一種新型納米材料，質(zhì)量輕、長(zhǎng)徑比大，碳原子呈六邊形結(jié)構(gòu)連接，以sp2雜化方式為主，在碳納米管的表面可以形成高度離域化的大π鍵。作為一種新型的一維納米材料，碳納米管具有一些獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的楊氏模量和剪切模量與金剛石相同，理論上可達(dá)106MPa，其值為鋼的100倍，密度卻僅為鋼的1/6[1]。同時(shí)，碳納米管還具有優(yōu)良的電學(xué)特性，其載流性遠(yuǎn)優(yōu)于Cu、Ag等金屬材料，極高純度、質(zhì)量的碳納米管理論上導(dǎo)電率也較優(yōu)[2]。對(duì)碳納米管的熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和碳勢(shì)的結(jié)果可得，室溫下其導(dǎo)熱率可達(dá)6 600 W/mK，與單層石墨烯的結(jié)果相當(dāng)[3]。除此之外，碳納米管的光致發(fā)光效應(yīng)、高化學(xué)穩(wěn)定性、巨大的比表面積等特性，使其在材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)石墨片卷曲層數(shù)的不同，可以分為單壁碳納米管(single-walled carbon nanotube，SWCNT)和多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotube，MWCNT)兩類，其中單壁碳納米管的缺陷更少、均一性更高，如圖1所示。

盡管碳納米管的性質(zhì)獨(dú)特，但由于其在溶劑中的分散性較差、易于團(tuán)聚等問(wèn)題，將其應(yīng)用于水處理中，常需對(duì)其進(jìn)行改性處理，或與其他材料連用，以達(dá)到更好的處理效果。本文對(duì)碳納米管及其復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題進(jìn)行討論和分析，為其在水中污染物去除方面后續(xù)研究的應(yīng)用提供參考。

圖1 碳納米管的結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.1 Structure Schematic Diagram of CNT[4]

1 碳納米管及其復(fù)合材料制備方法

1.1 碳納米管

自從碳納米管被引入材料領(lǐng)域以來(lái)，如何制備高產(chǎn)量、高質(zhì)量、低成本的碳納米材料，成為該研究方向的重點(diǎn)問(wèn)題。目前，碳納米管的主要制備方法包括電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法等，幾種方法的對(duì)比如表1所示。

表1 碳納米管制備方法比較[5-7]Tab.1 Comparison of Preparation Methods for CNTs[5-7]

1.2 碳納米管復(fù)合材料

目前，在研究中多將聚合物或無(wú)機(jī)材料與碳納米管復(fù)合，制備成粉末狀或膜狀，應(yīng)用于水處理中。表2列舉了幾種常見(jiàn)的復(fù)合材料制備方法。此外，隨著新材料的不斷研究，原位聚合法、CVD-模板法等方法在制備中也多有使用。

2 碳納米管作為吸附劑在水處理中的應(yīng)用

碳納米管由片層的石墨卷曲而成，具有較大的比表面積和較多的吸附位點(diǎn)，在水中有機(jī)污染物去除中可作為吸附劑使用。隨著研究應(yīng)用的不斷深入，碳納米管分散性較差、化學(xué)選擇性較低的特點(diǎn)限制了其在吸附去除污染物中的應(yīng)用。因此，需對(duì)其進(jìn)行物理或化學(xué)改性，或與其他材料復(fù)合，增強(qiáng)整體的吸附效果。

2.1 碳納米管

碳納米管對(duì)有機(jī)污染物的吸附是物理吸附與化學(xué)吸附共同作用的結(jié)果。Ji等[10]的研究表明，四環(huán)素在碳納米管上的強(qiáng)吸附作用主要?dú)w因于兩者間的范德華力、π-π電子供體-受體作用和陽(yáng)離子-π鍵作用。Dehghani等[11]對(duì)典型有機(jī)物苯酚在單壁和多壁碳納米管上的吸附效果進(jìn)行比較，單壁和多壁碳納米管的最大吸附量分別為50.51 mg/g和64.6 mg/g。多壁碳納米管具有不同的孔徑，內(nèi)部可利用的表面積更大。因此，吸附位點(diǎn)的有效利用程度可能更高。

表2 碳納米管復(fù)合材料制備方法比較[8-9]Tab.2 Comparison of Preparation Methods for CNTs Composite Materials[8-9]

2.2 物理改性碳納米管

常見(jiàn)的物理改性方法包括球磨、輻射和表面活性劑處理等。

球磨使碳納米管管長(zhǎng)變短、管口打開(kāi)，可在減少管間纏繞的同時(shí)增加管內(nèi)的毛細(xì)凝聚吸附，提高其吸附效率[12]。紫外照射可增強(qiáng)官能團(tuán)強(qiáng)度，并誘導(dǎo)管側(cè)壁產(chǎn)生缺陷。Salah等[13]將以粉煤灰為原料自制的碳納米管暴露在紫外輻射中，隨著輻射時(shí)間從0增至30 min，剛果紅的吸附量從9.1 mg/g增至26.5 mg/g。表面活性劑通過(guò)吸附負(fù)載在碳納米管表面，為吸附有機(jī)污染物提供一個(gè)有機(jī)分配相，也可改善材料的分散性[14]。周艷萍等[15]將多壁碳納米管浸入聚乙烯亞胺的水溶液中進(jìn)行改性處理，其對(duì)典型全氟化合物的吸附容量表現(xiàn)出顯著提升。

2.3 化學(xué)改性碳納米管

通過(guò)在碳納米管上引入或去除羧基、羥基、氨基等官能團(tuán)改變其化學(xué)特性。Liao等[16]將碳納米管置于600 ℃高溫爐用NH3蒸汽處理3 h，對(duì)氯酚的最大吸附量從73.5 mg/g升至110.3 mg/g，處理后的碳納米管中孔體積增加、π-π色散力增強(qiáng)。酸處理通過(guò)引入羧基和羥基，能改善碳納米管的分散性。Lu等[17]采用H2SO4、HNO3和NaOCl對(duì)自制碳納米管進(jìn)行氧化處理，結(jié)果表明，3種改性材料對(duì)苯、甲苯、乙苯和對(duì)二甲苯的吸附效果為CNT(NaOCl)>CNT(HNO3)>CNT(H2SO4)，與表面羧基含量的順序相同。

2.4 碳納米管復(fù)合材料

將碳納米管作為一種吸附材料應(yīng)用于水處理中時(shí)，除采用單體材料直接吸附外，也常與其他材料進(jìn)行復(fù)合，以進(jìn)一步提高其吸附性能，減少吸附質(zhì)二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，使其更易于分離再生。

2.4.1 金屬基復(fù)合材料

試驗(yàn)中常將金屬單質(zhì)或金屬氧化物負(fù)載在處理過(guò)的碳納米管上。鄧麗萍等[18]采用氧化還原法將MnO2負(fù)載到酸化的多壁碳納米管上，在π-π電子交互、陽(yáng)離子-π鍵和路易斯酸堿對(duì)作用下，復(fù)合后的材料對(duì)四環(huán)素和泰樂(lè)菌素的吸附量提高了5～8倍。

幾種常見(jiàn)的金屬基碳納米管復(fù)合材料的特性和應(yīng)用如表3所示。

表3 金屬基碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用情況Tab.3 Application of Metallic Oxide/CNTs Composite Materials

2.4.2 陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，碳納米管的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，二者復(fù)合具有良好的協(xié)同效應(yīng)，在耐火材料中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，復(fù)合材料在環(huán)境領(lǐng)域中也體現(xiàn)出對(duì)水中污染物的良好吸附性能。Ihsanullah等[24]采用浸漬法制得Al2O3/CNTs復(fù)合材料，與原始碳納米管相比，比表面積從155.5 m2/g增至227.5 m2/g，對(duì)苯酚和對(duì)氯苯酚的吸附去除率也有顯著提升。Zhou等[25]采用自制的核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@SiO2-MWCNTs復(fù)合材料吸附水中的五氯苯酚， pH值為2.5時(shí)的最大吸附量為127.4 mg/g，材料結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Fe3O4@SiO2-MWCNTs結(jié)構(gòu)示意圖[25]Fig.2 Structure Schematic Diagram of Fe3O4@SiO2-MWCNTs[25]

2.4.3 其他新型復(fù)合材料

隨著材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展和新材料性能要求的不斷提高，與碳納米管復(fù)合的材料并不局限于常見(jiàn)的金屬類物質(zhì)。Zhao等[26]用聚苯胺(PANI)對(duì)表面負(fù)載Fe3O4的多壁碳納米管進(jìn)行改性， Fe3O4、MWCNTs、PANI、MWCNTs/Fe3O4和MWCNTs/Fe3O4/PANI對(duì)甲基橙的最大吸附量分別為98.56、167.63、278.28、338.87 mg/g和446.25 mg/g。聚苯胺的含氮官能團(tuán)有助于形成更多的有效吸附位點(diǎn)，且聚苯胺的添加抑制了Fe3O4顆粒的溶解，顯著提高了材料的穩(wěn)定性。

除聚合材料復(fù)合外，生物材料復(fù)合也是一種新型的復(fù)合形式。殼聚糖具有生物相容性、無(wú)毒性、抑菌性等特點(diǎn)。Mahmoodian等[27]以殼聚糖和聚2-羥乙基甲基丙烯酸酯作為碳納米管的功能化材料，試驗(yàn)表明，復(fù)合材料對(duì)甲基橙展現(xiàn)出良好的吸附性能(306 mg/g)。同樣地，采用帶負(fù)電的天然多糖κ-卡拉膠對(duì)磁性碳納米管進(jìn)行修飾，能提高材料對(duì)陽(yáng)離子染料(如亞甲基藍(lán))的吸附性能[28]。

碳納米管作為一種新型吸附劑，在現(xiàn)有水處理實(shí)例中應(yīng)用較少，其使用壽命的研究停留在實(shí)驗(yàn)室階段，碳納米管及其復(fù)合材料在5次循環(huán)試驗(yàn)內(nèi)均能獲得較優(yōu)的去除效果。回收后的材料可采用臭氧氧化、超聲與微波輻照、芬頓和電芬頓等方法進(jìn)行再生。對(duì)材料在使用過(guò)程中可能脫附造成的二次污染，應(yīng)針對(duì)目標(biāo)污染物種類選擇合適的吸附劑；對(duì)污染物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制吸附劑的更換周期；考察吸附與后續(xù)處理單元的整體去除效果；或可將吸附過(guò)程與氧化過(guò)程相結(jié)合，保障處理后出水水質(zhì)。

碳納米管出色的吸附效果使其在有機(jī)污染物去除中得到廣泛研究。對(duì)原始碳納米管進(jìn)行物理化學(xué)改性，能顯著改善其表面特性和分散性，從而提高其吸附容量，并增強(qiáng)碳納米管與其他材料的相容性。將碳納米管與金屬材料、陶瓷材料、聚合材料或其他生物材料相結(jié)合，起到一定協(xié)同強(qiáng)化效果的同時(shí)，也需充分考慮材料的成本、分離回收、實(shí)際應(yīng)用中對(duì)現(xiàn)有水處理設(shè)施的影響等問(wèn)題。

3 碳納米管作為催化劑在水處理中的應(yīng)用

吸附處理在去除實(shí)際水體中污染物上得到了廣泛應(yīng)用，但仍存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。起源于20世紀(jì)80年代的高級(jí)氧化技術(shù)(advanced oxidation processes，AOPs)，通過(guò)產(chǎn)生活性很強(qiáng)的自由基，可以將大分子難降解的污染物氧化成低毒或者無(wú)毒的小分子物質(zhì)，甚至完全礦化生成CO2、H2O和無(wú)機(jī)離子。將材料應(yīng)用于高級(jí)氧化中，克服了均相催化劑難以重復(fù)利用和超聲、紫外等能耗較高的缺點(diǎn)。碳納米管因其良好的催化特性和巨大的比表面積，在非均相催化劑的研制中得到了廣泛研究。

表4列舉了幾種典型高級(jí)氧化技術(shù)中碳納米管基催化劑的應(yīng)用情況。

3.1 光催化氧化法

光催化是指以光作為能量來(lái)源，光催化劑吸收能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)并具有強(qiáng)氧化還原能力，在催化制氫、空氣凈化、水污染治理等方面得到了廣泛應(yīng)用。相較于其他高級(jí)氧化工藝，典型光催化氧化工藝一般不需要額外添加氧化劑，且操作簡(jiǎn)單、能耗較低。

表4 碳納米管基催化劑在高級(jí)氧化中的應(yīng)用情況Tab.4 Application of CNTs Catalysts in AOPs

高效、環(huán)保、易得的光催化材料選擇是工藝研究的一個(gè)重要部分。碳納米管的比表面積較大，對(duì)水中污染物具有良好的吸附能力，且具有較強(qiáng)的儲(chǔ)電能力，可以接受激發(fā)的電子，阻礙或延緩電子與空穴復(fù)合[48]。Di等[49]采用一步溶劑熱法合成了針葉樹(shù)和闊葉樹(shù)兩種形態(tài)的TiO2/CNTs仿生復(fù)合材料，二者對(duì)亞甲基橙的光催化速率分別為2.22×10-2min-1和6.84×10-2min-1，為純TiO2催化的3.0倍和8.4倍。染料與碳納米管間的π-π吸附、有效的電子傳輸途徑、較大的光收集能力，三者共同增強(qiáng)了材料的光催化效率。碳納米管與Ag3PO4復(fù)合降解羅丹明B也體現(xiàn)出明顯的協(xié)同效果[50]。

3.2 芬頓/類芬頓法

典型芬頓反應(yīng)體系是指通過(guò)Fe2+和H2O2反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基，降解水中的有機(jī)污染物。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)一些其他金屬離子及其化合物也可催化H2O2反應(yīng)，將其統(tǒng)稱為類芬頓反應(yīng)體系。

研究表明，碳納米管在反應(yīng)體系中能起到一定的增強(qiáng)作用。Yang等[51]對(duì)功能化多壁碳納米管上官能團(tuán)與催化活性之間的關(guān)系進(jìn)行探討。Fe3+/ H2O2體系對(duì)阿特拉津的降解率在30 min內(nèi)僅為15%，而投加硝酸處理的碳納米管(FCNT-H)后降解率可達(dá)92%。碳納米管在以下兩個(gè)方面對(duì)反應(yīng)速率有促進(jìn)作用：(1)表面羰基等基團(tuán)直接還原Fe3+；(2)H2O2對(duì)FCNT-H-Fe(III)絡(luò)合物的還原作用。

考慮到H2O2的高親水性和不穩(wěn)定性，H2O2到催化劑表面的傳質(zhì)效率較低，Yang等[36]合成了Zn0-CNTs-Fe3O4復(fù)合材料，通過(guò)直接接觸形成鋅-碳原電池原位生成H2O2。Zn0-CNTs-Fe3O4/O2系統(tǒng)對(duì)4-氯苯酚的去除率為99%，而CNTs-Fe3O4/O2和Zn0-CNTs/O2系統(tǒng)的去除率僅為25%和28%。

3.3 臭氧氧化法

3.4 過(guò)硫酸鹽氧化法

以硫酸根自由基為基礎(chǔ)的高級(jí)氧化法因其高效、高穩(wěn)定性、反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了研究者的廣泛關(guān)注。反應(yīng)中常用的氧化劑有過(guò)一硫酸氫鹽(PMS)和過(guò)二硫酸鹽(PS)兩種，可采用熱、超聲、紫外、金屬離子及其化合物、碳材料等進(jìn)行催化。

Yang等[53]采用硝酸處理、600 ℃退火改性的多壁碳納米管催化PS降解苯酚，60 min時(shí)幾乎能完全去除，而PS或催化劑單獨(dú)處理的去除率均小于5%。碳納米管在PMS體系中也能取得較好的效果，采用氮摻雜多壁碳納米管催化降解酸性橙AO7，60 min脫色率可達(dá)97%[54]。在采用碳納米管催化的兩種反應(yīng)體系中，硫酸根自由基并非唯一有效的活性物種，反應(yīng)過(guò)程中存在1O2氧化或氧化劑直接氧化[55]。

碳納米管除可作為催化劑單獨(dú)使用外，也可作為載體合成具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合材料。Kang等[56]采用“一鍋”熱解法制備了載鎳、摻氮的多壁碳納米管，催化PS降解水中磺胺氯噠嗪，60 min內(nèi)污染物的降解率為100%。Zhang等[57]采用共沉淀法合成了氮硫共摻雜負(fù)載鐵酸銅的碳納米管，復(fù)合材料活化PMS在30 min內(nèi)對(duì)2-苯基苯并咪唑-5-磺酸的降解率可達(dá)98%，且材料穩(wěn)定性較高。

3.5 復(fù)合高級(jí)氧化法

為提高體系的反應(yīng)效率，常將兩種或以上的高級(jí)氧化工藝復(fù)合使用，通過(guò)多種途徑產(chǎn)生強(qiáng)氧化性活性物種。近年來(lái)，研究較多的包括：超聲-光催化、電-芬頓、光-芬頓、臭氧-光催化等。碳納米管因其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)特性，在復(fù)合高級(jí)氧化工藝中能起到較好的催化、協(xié)同作用。

將電氧化、電芬頓和過(guò)硫酸鹽高級(jí)氧化結(jié)合在一起，Lei等[59]制備合成了Ti/CNT/SnO2-Sb-Er陽(yáng)極和Ni@NCNT陰極，向水中投加Fe2+和PS，與陰極上O2還原產(chǎn)生的H2O2構(gòu)成復(fù)合高級(jí)氧化體系去除頭孢噻肟。在電流密度為30 mA/cm2時(shí)，TOC去除率可達(dá)92.6%。

綜上，碳納米管作為催化材料使用時(shí)，由于反應(yīng)過(guò)程中可及時(shí)氧化表面吸附的污染物，其使用壽命較純吸附時(shí)有所延長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)室循環(huán)試驗(yàn)中，回收的材料經(jīng)洗滌干燥后，目標(biāo)污染物去除率無(wú)明顯變化。將碳納米管引入常用催化劑中，可作為骨架防止催化劑聚集、利用吸附作用提高材料與污染物的接觸概率、增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移特性等，從而高效去除污染物；同時(shí)，一定程度上也可抑制金屬離子的溶出，提高材料的穩(wěn)定性和回收性能[31]。但是，復(fù)合材料的應(yīng)用還存在制備方法的優(yōu)化、成本等問(wèn)題。

4 碳納米管作為膜材料在水處理中的應(yīng)用

膜分離技術(shù)作為第三代水處理技術(shù)核心，因其過(guò)程簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在海水淡化、生活生產(chǎn)廢水處理、醫(yī)藥生產(chǎn)等方面得到了廣泛應(yīng)用。在膜技術(shù)的研究中，選擇和制備具有高機(jī)械強(qiáng)度、高效、易清洗、綠色環(huán)保等特點(diǎn)的膜材料，具有一定的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。

碳納米管具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較大的疏水表面、一定的抑菌效果，可用于改善膜材料的結(jié)構(gòu)和分離特性。碳納米管在應(yīng)用前多進(jìn)行純化和功能化處理，碳納米管復(fù)合膜分為無(wú)機(jī)物復(fù)合膜和聚合物復(fù)合膜兩類，常見(jiàn)制備方法包括化學(xué)氣相沉積法、原位聚合法、自組裝法、直接負(fù)載法等[8]。

4.1 直接膜濾法

聚砜是應(yīng)用最廣的制膜材料之一，將碳納米管嵌入聚砜膜，其含量對(duì)復(fù)合膜的孔隙率、表面親水性、熱穩(wěn)定性和應(yīng)變應(yīng)力有一定影響，碳納米管含量越高，膜的純水通量越高。試驗(yàn)證明，含2%氧化碳納米管的復(fù)合膜在過(guò)濾2 000倍床體積時(shí)，對(duì)2-萘酚的截留率為0.3，而原聚砜膜的截留率僅為0.1[60]。

Cheng等[61]將碳納米管涂覆在聚醚砜膜表面作為預(yù)處理層，不同CNT添加量的復(fù)合膜對(duì)初始濃度為3 mg/L的腐植酸的DOC去除率為82.9%～90.4%，原始PES膜的去除率為46.4%。復(fù)合膜可以通過(guò)預(yù)吸附和尺寸排斥作用減緩膜污染。還原氧化石墨烯在制備超薄膜材料上有一定的應(yīng)用前景。Wang等[62]制備了分散混合均勻的CNT-rGO復(fù)合膜，該結(jié)構(gòu)改善了復(fù)合膜的滲透性和防污性能，且120 min內(nèi)復(fù)合膜對(duì)對(duì)乙酰氨基酚的平均去除率為62%，而簡(jiǎn)單雙層復(fù)合膜的平均去除率僅為39%。

4.2 組合膜濾法

為進(jìn)一步提高過(guò)濾效率、控制膜污染，可施加外部電場(chǎng)或與光催化工藝組合使用。應(yīng)用碳納米管復(fù)合導(dǎo)電膜為電極，在保證一定機(jī)械強(qiáng)度和有效過(guò)濾性能的同時(shí)，也降低了體系能量損耗[63]。Yang等[64]制備的碳納米管基中空纖維復(fù)合膜外表面光滑且親水性較好，在電輔助下，通過(guò)電潤(rùn)濕和電毛細(xì)現(xiàn)象等使膜的水通量顯著增加。對(duì)分子大小小于膜孔尺寸的苯酚，120 min內(nèi)直接過(guò)濾的去除率為7.16%，施加1.0 V電壓后在電氧化作用下去除率為85.96%。被污染的復(fù)合膜可通過(guò)電助水力清洗實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效再生。Bakr等[65]采用多壁碳納米管和巴基紙復(fù)合膜去除水中布洛芬和雙酚A，在施加3.0 V直流電的作用下，兩種目標(biāo)污染物均能完全去除，且降解為無(wú)毒的脂肪族羧酸。

將光電催化與過(guò)濾工藝組合應(yīng)用，Wang等[66]制備了具有良好可見(jiàn)光響應(yīng)和高導(dǎo)電性的g-C3N4/CNT/Al2O3復(fù)合膜。在1.0 V外加電壓下，組合工藝對(duì)苯酚的去除率分別是光催化加膜濾、電催化加膜濾、直接過(guò)濾的2.7、2.0、10.1倍。對(duì)腐植酸模擬的天然有機(jī)物，組合工藝也表現(xiàn)出最優(yōu)的去除效果和防污能力。

綜上，碳納米管以其優(yōu)良的力學(xué)特性和穩(wěn)定性、巨大的比表面積等，可用于復(fù)合膜材料的制備。碳納米管的添加，除可以提高膜材料的分離效率外，以其優(yōu)良的抑菌特性和吸附效果，一定程度上可緩解分離過(guò)程中的膜污染問(wèn)題。進(jìn)一步提高膜的抗污性能，需控制待處理水中目標(biāo)污染物的尺寸和濃度，或控制污染物在膜上的附著和累積。針對(duì)以上要點(diǎn)，可采用的方法如下：(1)監(jiān)測(cè)分離膜進(jìn)水水質(zhì)，并采用混凝、沉淀、預(yù)臭氧化[67]等方法進(jìn)行預(yù)處理；(2)嚴(yán)格開(kāi)展反沖洗工作；(3)采用組合膜分離工藝，將膜分離與光電催化[66]等工藝耦合。盡管碳納米管在膜分離領(lǐng)域的表現(xiàn)較優(yōu)，但相關(guān)研究還處于初級(jí)階段，除體系的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題外，還需加強(qiáng)理論的研究，提高幾種膜材料的結(jié)合效果和穩(wěn)定性。

5 總結(jié)與展望

碳納米管及其復(fù)合材料在水中有機(jī)污染物的去除中分別可作為吸附劑、催化劑、膜材料應(yīng)用到吸附、高級(jí)氧化、膜分離3種工藝中，并以其獨(dú)特的表面和結(jié)構(gòu)特性、較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電特性，在水處理中表現(xiàn)出優(yōu)異的污染物去除效果。但是，在目前的研究應(yīng)用中，仍存在一定的問(wèn)題。(1)通過(guò)常見(jiàn)方法制備的碳納米管純度和成本仍不夠理想，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用；碳納米管的價(jià)格與產(chǎn)品純度、長(zhǎng)度和功能化程度等因素有關(guān)，20年前其普遍報(bào)價(jià)比黃金還高，現(xiàn)根據(jù)市場(chǎng)公司報(bào)價(jià)，95%以上純度的普通多壁和單壁碳納米管的價(jià)格約在4～30元/g和700～1 600元/g。(2)碳納米管的改性方法和復(fù)合材料種類繁多，且現(xiàn)階段的研究多處于新材料的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)階段，系統(tǒng)性的理論研究較少。(3)碳納米管基材料應(yīng)用實(shí)例較少，目標(biāo)污染物多為單一的有機(jī)污染物。因此，在后續(xù)的發(fā)展方向上，還需對(duì)碳納米管的制備方法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的產(chǎn)出；對(duì)現(xiàn)有材料從去除效率、制備方法、適用條件、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；加強(qiáng)實(shí)際水體的應(yīng)用研究；開(kāi)展碳納米管基材料對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。