金屬氧化物納米材料在水處理中的應用

張艷鶴

摘要：納米技術從誕生到如今的廣泛應用，短短三十年擁有著突飛猛進的發展。其中金屬氧化物納米材料憑借著其金屬特性與納米尺寸結合，得到了較強的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能。本文從金屬氧化物納米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能三種維度，分析金屬氧化物納米材料在水處理中的應用。

關鍵詞：金屬氧化物;納米材料;水處理;吸附性能;光催化性能;抗菌性能

1990年7月舉辦了第一屆國際納米科學技術會議，納米技術隨之誕生，納米技術主要對對材料的性質和應用進行研究，研究結構尺寸在1納米至100納米范圍內。金屬納米氧化物指的是粒徑達到納米級的金屬氧化物，比如納米二氧化鈦、納米氧化鋅、納米氧化鋁，納米氧化鈰，納米氧化鐵等等[1]。納米材料的概念自80年代初形成開始，就引發了世界科學家的極大關注，而金屬氧化物納米材料的金屬特性與納米尺寸相結合，擁有了獨特的性能，讓人們意識到金屬氧化物納米材料的應用將會對物理、化學、材料等領域產生極大影響。金屬氧化物納米材料顆粒粒徑小且反應活性較高，因此在反應過程中會展現出不同的特性，在水處理的工作中，金屬氧化物納米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能得到了巨大的體現，基于此，本文主要從金屬氧化物納米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能三個方面入手，對金屬氧化物納米材料在水處理中的應用效果進行研究分析。

一、金屬氧化物納米材料吸附性能

納米材料擁有著大比表面積，因此對于水中的污染物質有著較強的吸附性，部分金屬氧化物納米材料憑借自身的金屬特性，在水處理過程中會與污染物質發生反應，達到吸附并可以實現污染物降解的作用，為后續的分離操作提供了便利。吸附性能中常見的金屬氧化物納米材料主要有鐵基氧化物、氧化鋁以及氧化鋅等[2]，在重金屬離子以及有機污染物的吸附上有著明顯優勢。

1、水合鐵氧化物（FeOOH）

針鐵礦的主要成分水合鐵氧化物（FeOOH），對不同重金屬離子的選擇性也存在差異，主要表現為Cu>Pb>Ni>Co>Mn，同時吸附容量也存在差異，在水處理過程中，對于多種重金屬離子存在于水中的情況下，其對Cu（Ⅱ）的吸附量明顯大于其他重金屬離子。

2、α-Fe2O3

α-Fe2O3是赤鐵礦的主要成分，可以通過人工手段增加其表面羥基數量，α-Fe2O3的結構特性使得其擁有較大的吸附容量，可以更好的固化多種重金屬離子。

3、γ-Fe2O3與Fe3O4

雖然γ-Fe2O3與Fe3O4和α-Fe2O3都是鐵基氧化物，但三者的空間結構不同，γ-Fe2O3與Fe3O4在常溫狀態下會產生磁性特征，Fe3O4磁性較強，因此在水處理的實際應用中利用這一特性有利于分離工作與后續的循環再生[3]。

4、氧化鋅（ZnO）

納米級別的氧化鋅對重金屬離子等污染物有著較強的吸附力，具有無毒、成本低等特點，同時不同結構的氧化鋅，其吸附容量也不同，因此打開了對金屬氧化物納米材料在結構方面的研究。

為解決團聚與反應床堵塞的問題，可以將金屬氧化物納米材料與多孔載體進行結合，常見載體有膨潤土、氧化鋁膜等天然或無機物質[4]。金屬氧化物納米復合材料對重金屬離子的吸附能力詳見表2。利用金屬氧化物納米材料與污染物的化學反應，可以起到去除有機雜質的效果。

二、金屬氧化物納米材料的光催化性能

光催化是一種在光催化劑作用下的氧化還原反應，可以持續降解有機污染物，具有良好的抗菌除臭性能，能夠分解空氣中的有毒物質，如甲醛等[5]。二氧化鈦（TiO2）作為最早的金屬氧化物光催化劑，通過從紫外光吸收光能，可以將水中的一些染料等有機污染物分解成CO2和水。同時，氧化鋅（ZnO）、鐵氧化物以及二氧化鈰（CeO2）也可以起到很好的光催化效果，氧化鋅（ZnO）更是可以作為二氧化鈦（TiO2）的替代材料，通過自身大比例的吸收太陽光譜能夠得到更好的光催化能力，除降解染料意外，還可以對多種農藥實現降解。鐵氧化物憑借獨特的磁性成為光催化劑的一種，擁有著較低的帶隙能，也可以實現對有機污染物的降解效果。

三、金屬氧化物納米材料抗菌性

金屬氧化物納米材料是一種無機材料，與納米有機材料相比，具有更多的選擇性，且毒性較低，穩定性較高，結構也更加多樣[6]，為研究學者提供了無限的可能。并且相關研究表明，顆粒尺寸越小，抗菌性越強;晶格常數越大，抗菌性越強;顆粒形態與晶體的生長同樣影響著抗菌活性。目前在抗菌材料的研究中，使用廣泛的是Fe3O4、TiO2以及ZnO等，主要優勢在于毒性較小并且成本較低，金屬氧化物納米材料強大的吸附性使得細菌的細胞壁被破壞，失去了細胞壁的保護，細菌逐漸死亡。

四、總結

本研究從金屬氧化物納米材料的吸附性能、光催化性能以及抗菌性能

三個方面，分析了金屬氧化物納米材料在水處理中的應用，對比了不同金屬氧化物對重金屬離子以及有機污染物的的吸附容量。雖然大多數金屬氧化物納米材料毒性較低，但大量的金屬氧化物納米材料被投入到水處理當中，是否會影響到生態健康這一問題必須受到重視，還是要增加相關金屬氧化物納米材料的毒性研究，制備出更加完善的材料，真正做到可持續發展，還需要不斷的探索與研究。

參考文獻：

[1]楊文書.過渡金屬氧化物納米材料的制備及其在分析檢測和水處理中的應用[D].中國科學院大學，2014.

[2]張永興.金屬氧化物微納米結構材料制備及其在水處理中的應用研究[D].安徽：中國科學技術大學，2012.

[3]鐘良樞.金屬氧化物納米材料的制備及其在水處理和催化中的應用

[D].北京：中國科學院化學研究所，2008.

[4]宋濤.多孔氮化硼負載金屬氧化物納米顆粒復合材料的合成及其在污水處理中的應用研究[D].河北：河北工業大學，2018.

[5]張健.磁性聚苯胺/金屬氧化物復合材料的制備及在環境污水處理中的應用研究[D].江蘇：揚州大學，2017.

[6]劉愛榮，周文.石墨烯基金屬氧化物納米復合結構材料的制備及應用于水體中污染物的吸附研究進展[J].科學通報，2014，59（21）：2039-2054.