纳米材料在吸附剂中的研究进展及应用

纳米材料在吸附剂中的研究进展及应用

摘要：本文研究了纳米材料被作为吸附剂在分离和富集中的研究进展及引用。纳米材料主要包括金属、金属氧化物、富勒烯、碳纳米管等。

关键词：纳米材料；水处理；吸附剂

Research Progress and Application in Nanomaterials for Adsorbents Abstract：The research progress and applicaton of nancmaterials as adsorbents for separating and enriching in water pollution have been studied. Nanomaterials include metal,metal oxide,fullerene, carbon nanotubes and so on.

Key words：nanomaterials ; water treatment ; adsorbents

一、引言

我国水资源的特点是总量大，人均量少。水资源的不足，加上地表水、浅层地下水的污染又减少了可供利用水资源的数量，形成了所谓的污染性缺水，造成了水荒。水污染对人体健康及工农业生产的持续发展带来了很大的危害。水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物质，可通过水的稀释、扩散降低含量而实现无害化，这是水的自净作用。但也可能由于水的流动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。那么，我们需要对污水进行预处理才能将其排放到环境中去。在各种环境污染处理技术中，吸附法是广泛应用的方法。常用的吸附剂有活性炭、活性硅藻土、纤维、天然蒙托土、煤渣以及混凝剂等。纳米材料是一种有着巨大应用前景的吸附材料。纳米科学技术是20世纪80年代末崛起并迅速发展起来的新科技。纳米材料指尺寸大小为1~100nm的物质材料，与普通的块体材料相比，纳米材料具有较大的比表面和较多的表面原子，因而显示出较强的吸附特性。

二、纳米材料的吸附作用

对于纳米粒子的吸附作用，目前普遍认为：纳米粒子表面的表面羟基作用。纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。一种良好的吸附剂，必须满足比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道，吸附容量大等条件，而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。粒子直径减小到纳米级，会引起比表面积的迅速增加。当粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力，提供了在环境治理方面应用的可能性。[1]

1.纳米金属的吸附作用

纳米金属的表面原子特别是处于边和角上的原子有较高的化学活性，这些原子正是催化剂的活性中心，也是吸附剂的活性位点。由于纳米金属原子簇具有较高的表面能，属于亚稳态，有团聚的倾向。目前主要有以下2种方法改变其稳定性：（1）用多孔的物质如Al2O3、SiO2、碳质材料和多聚物等作为载体，浸入金属盐溶液中，然后将金属离子还原为零价纳米金属原子簇而固定在载体上。（2）纳米金属的表面修饰。用纳米金属作吸附剂的也有报道，Kanel等在N2保护下，用NaBH4还原FeCl3制得了纳米零价铁即纳米铁，他们用纳米铁作为吸附剂对地下水中As（Ⅲ）的吸附行为进行了研究，结果表明，As（Ⅲ）的初始浓度和溶液的pH值对吸附有影响，最大吸附容量为3.5ng As（Ⅲ）/g纳米铁，并发现HCO3-、H4SiO4

和H2PO4-的存在对As（Ⅲ）的吸附有干扰。

2.纳米氧化物的吸附作用

许多纳米氧化物表面展现出既具有Lewis碱又具有Lewis酸的特性，特别是在角和边上。残留的表面羟基和阴/阳离子空穴也能增加纳米氧化物的表面活性。

纳米材料用于分离富集起步较晚，Vassileva等在1996年研究了比表面积大的TiO2作为固相萃取吸附剂对金属离子吸附性能。结果表明，TiO2比常用的SiO2作为固相萃取剂具有许多优点，主要是：高吸附容量、多元素同时吸附、能有效地吸附和洗脱及很好的重视性。马万红等人利用流动注射微柱富集在线分析方法对Cr（Ⅵ）离子在纳米TiO2表面上的吸附动力学特征进行了原位表征，研究结果表明，纳米TiO2对Cr（Ⅵ）有强烈的吸附作用，当pH改变时，纳米TiO2吸附的Cr（Ⅵ）可被2mol/LHCl完全洗脱。Mallikarjuna等[2]用纳米γ-Fe2O3和硫脲的复合物作为吸附剂，对Pb2+吸附研究表明，该复合物显示出较强吸附能力。纳米氧化物分离富集技术与其他分析技术联用，也是吸附剂研究的一个重要发展方向

3.富勒烯的吸附作用

富勒烯是一种闭合笼型的碳原子团簇。C60富勒烯作为吸附剂最令人感兴趣的是它的选择性。许多金属离子能够和1-吡咯基二硫代甲酸铵(APDC)形成络合物，从而可以用C60富集。而镉被选择性地从共存的Cu、Pb、Zn和Fe等离子中分离出来并用原子吸收光谱检测。C60富勒烯还被用于镉、铅和镍的富集。

4.碳纳米管的吸附作用

碳纳米管（CNTs）是国内外广泛关注的一类碳材料，近年来逐渐成为水处理材料领域的一个研究热点。碳纳米管是日本科学家Iijima于1991年发现的一种晶型碳素材料，区别于传统晶型碳素材料石墨和金刚石的二维结构和三维结构，碳纳米管呈一维管状结构，由一层或多层石墨片沿轴向卷曲成圆柱状，两端由半球形的端帽封闭，石墨层片内的碳原子以C-C 键相连，由一层石墨片层卷曲而成的称为单壁碳纳米管，由多层石墨片层卷曲而成的则称为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管层间以范德华力结合。碳纳米管因具有独特的电磁学、力学、光学和热性能学而被用于储氢材料、复合材料增强剂、催化剂载体、超导材料等领域。由于碳纳米管独特的纳米管状微观结构及其大比表面积、丰富孔隙结构、独特导电性能等特性，在水处理材料领域受到关注，自20世纪以来已被逐渐研究用作水处理吸附材料、催化材料以及吸附和催化材料载体。[3]

我国在世界范围内最早开展碳纳米管对水中无机污染物吸附效能研究。碳纳米管本身对无机污染物具有吸附能力，2003年清华大学的Li等[4]就开展了碳纳米管对无机离子F-的吸附去除研究，他们的研究表明，定向碳纳米管对氟离子吸附容量达4.5mg/g以上。由于碳纳米管具有高比表面积和丰富孔结构，因此在碳纳米管表面引入吸附无机离子的活性集团，将会显著提高其对无机离子的吸附效能。

另外我国率先开展碳纳米管对水中有机污染物的吸附去除研究，2003年Peng等[5]首次研究了多壁碳纳米管对水中有机污染物1,2-二氯苯的研究，结果表明，碳纳米管对有机污染物1,2-二氯苯吸附效果良好，且吸附平衡时间远远短于活性炭，碳纳米管对1,2-二氯苯吸附在较宽的pH值范围（3-10）内吸附效能稳定。同时发现，在高pH值条件下，碳纳米管对非离子有机污染物吸附出现明显下降，他们认为，其机理是由于碳纳米管表面少量含氧官能团在高pH值条件下电离和水化，从而导致在碳纳米管表面形成水化层，引起吸附量下降。

总结起来，碳纳米管本身对无机污染物具有一定吸附效能，但吸附效果有限，才用化学氧化的方法对碳纳米管进行氧化处理，在碳纳米管表面引入含氧官能团，能显著提高碳纳