利用納米材料去除水中典型金屬離子技術

摘 要：針對國內水污染情況的復雜性，實驗室制成新型高分子聚合物材料，并通過對其分子結構和性能參數的測定，開展這種材料對水中污染物去除機理的分析，著重分析和評估這種納米材料去除水中重金屬離子的機理和不同水環境條件對其去污能力的影響，為納米材料在水中污染物深度處理的實際應用和推廣提供重要的參考依據。

關鍵詞：納米材料；水處理；重金屬離子

近年來，伴隨著我國經濟建設的飛速發展，飲用水源的污染問題也日益突出，加劇了我國水資源短缺的狀況。而國內生活小區內常規水處理工藝的局限性，不僅無法徹底有效地去除各種污染物質，而且在處理的過程中可能產生致癌、致突變等對人體有害的副產物，使人們的健康面臨著嚴重的威脅。因此尋找一種切實有效的高效凈水材料，并以此為基礎設計一套飲用水深度處理的工藝技術，就成為我國環境工程研究者一項迫在眉睫的任務。

目前，納米技術已經廣泛地應用于材料、計算機、光學、醫藥和化工等眾多領域，但在環境工程及大氣污染控制領域中的應用研究來看，我國與國際先進國家相比，無論從作用機理的理論分析，還是納米技術的應用開發方面，都還存在著相當大的差距。再加上我國水源的污染狀況遠較國外復雜，這就更加突出了利用納米技術用于我國水污染控制研究的緊迫性。在這其中，對新型納米凈水材料的機理和應用研究成為今后研究領域中的一個重要發展方向。

1 納米凈水材料的實驗室制備

1.1 藥劑制備

根據研究目標的要求，本實驗采用對環糊精進行甲苯磺酰化，制備出6位碳伯羥基處取代的β-CD單對甲苯磺酸酯（β-CD-6-OTs）作為藥劑處理目標水。

1.2 β-CD-6-OTs的合成

β-環糊精使用前用蒸餾水重結晶兩次，真空干燥；吡啶加入適量的粒狀KOH干燥數日，使用前蒸餾收集114℃餾分；其它試劑為分析純試劑。

在裝有帶無水CaCl2干燥管的冷凝管、恒壓漏斗、機械攪拌器的250mL三口燒瓶中加入8.33g的β-CD和100mL吡啶，微熱溶解后冷卻，于室溫下繼續攪拌1h，在恒壓漏斗中加入80mL吡啶和1g對甲苯磺酰氯配成的溶液，繼續攪拌反應過夜后，40℃真空旋轉蒸發溶劑，固體用200mL的乙醚洗滌，抽濾，經3次重結晶后得到白色粉末產品β-CD-6-OTs，即納米凈水材料晶體。

2 納米凈水材料性能參數測試

2.1 利用X射線衍射分析測定樣品的晶相結構。通過實驗室制備得到的納米吸附材料XRD譜圖基線平穩，各衍射峰尖而窄，無雜峰存在，說明樣品純度和結晶度高。

2.2 BET測試結果如表1所示。

從表1可以看出，這種吸附材料的吸附容量很大，遠遠超過傳統的活性炭、活化沸石等吸附劑，對于去除水中微量有機或無機雜質極為有利。

3 納米材料對水中典型重金屬離子去除效率的研究

3.1 汞離子的處理效率及影響因素研究

3.1.1 pH值對去除率的影響

在pH<7時，納米吸附材料對汞離子的去除率隨pH值的增大而升高，pH>9時，去除率開始下降影響不大。pH值為7時，納米吸附材料的最高去除率可達95.9%。

3.1.2 吸附時間對去除率的影響

在汞離子的濃度、pH值一定的情況下，去除率隨著吸附時間的增加而升高，在240min時吸附達到平衡，去除率可達97.1%，繼續延長吸附時間去除率變化不大，因此，在汞離子去除實驗中選擇最佳吸附時間為240min。

3.1.3 吸附劑的用量對去除率的影響

在汞離子的濃度、pH值一定的情況下，在吸附劑的添加量為0.5mg時吸附就已經達到了平衡，去除率可達97.1%，繼續添加吸附劑的用量去除率基本無增加，其實際應用意義也不大。因此，在汞離子去除的實驗中選擇納米吸附劑的最佳添加量為0.5mg。

3.2 砷離子的處理效率及影響因素研究

3.2.1 pH值對去除率的影響

在pH<2時，改性濾料對As（Ⅴ）離子的去除率隨pH值的增大而升高，pH>4時，pH值對去除率影響不大。pH值為2時，改性濾料去除率可達82.08%。

3.2.2 吸附時間對去除率的影響

在As（Ⅴ）離子的濃度，pH值一定的情況下，去除率隨著吸附時間的增加而升高，在240min時吸附達到平衡，去除率可達95.96%，繼續延長吸附時間去除率變化不大，因此，在As（Ⅴ）離子去除實驗中選擇最佳吸附時間為240min。

3.2.3 濾料的用量對去除率的影響

在As（Ⅴ）離子的濃度，pH值一定的情況下，去除率隨著改性濾料的增加而升高，由10.23%變化為97.012%。在改性濾料的添加量為2g時吸附達到平衡，去除率可達95.96%，繼續添加改性濾料去除率變化不大，因此，在As（Ⅴ）離子去除實驗中選擇改性濾料的最佳添加量為2g。

通過對銅、鉛、鎘、鉻等金屬離子的原水進行納米材料的靜態吸附實驗的研究以及對各種影響因素的分析，得出以下結論：（1）pH=5，Cu2+為6mg/L，納米材料的添加量為2g，吸附時間為120min時，納米材料對Cu2+的去除率可達到95.29%。（2）在Pb2+的濃度為2mg/L，pH值為7，吸附時間為120min時，納米材料的添加量為2g時對Pb2+去除率可達96.75%。（3）在Cd2+的濃度為2mg/L，pH值為7，吸附時間為120min時，納米材料的添加量為2g時對Cd2+去除率可達96.73%。（4）在Cr6+的濃度為50mg/L，納米材料的添加量為2g時對Cr6+去除率可達96.3%。

4 結束語

通過試驗證明納米材料能在分子結構中形成海綿狀、具有納米級尺度的微孔，從而能夠高效地吸收和截留水中的一些用常規凈水工藝和材料很難或無法降解的污染物質如微量砷、汞等重金屬離子。通過納米材料的靜態吸附實驗證明，納米材料對水中微量汞等重金屬鹽的去除效率均可達到95%以上。研究為納米材料在工業廢水、生活飲用水中存在的典型重金屬離子深度處理的實際應用和推廣提供重要的參考依據。