納米材料在包裝印刷廢水處理中的應用

王聰聰+詹儀

廢水處理是現如今各大小包裝印刷企業面臨的共同問題，廢水的主要來源是制版過程產生的廢水，溶劑型油墨中的有機溶劑、有機顏料等，在綠色環保呼聲日益高漲的當下，高效、徹底的廢水處理技術是包裝印刷行業的急迫需求，這不僅能為包裝印刷企業的綠色印刷認證之路帶來便利，更能在保護生態環境、提高人們生活質量的同時，實現綠色可持續發展。20世紀80年代末期，納米材料興起并得到迅速發展，成為科學技術領域的新寵。與普通材料相比，納米材料比表面積大，表面原子吸附量多，具有較強的吸附性能與光催化降解性能，通過研發人員的不斷攻克 ，如今納米材料已經可以在解決包裝印刷行業廢水處理問題上發揮重要作用。

納米材料處理廢水的兩大原理

1.吸附原理

納米材料具有表面界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和介電限域效應。其中，納米材料的表面界面效應是納米粒子具備吸附有機污染物的基礎，巨大的比表面積使納米材料表面活性高，容易與其他原子結合，具有很強的吸附性能。

2.光催化原理

納米半導體光催化劑大多是n型半導體材料，具有區別于金屬或絕緣物質的特別能量帶，即在價帶和導帶之間存在一個禁帶，當光子能量高于半導體吸收閾值時，半導體的價帶電子發生躍遷，即從價帶躍遷到導帶，從而產生光生電子（e-）和光生空穴（h+）。光生電子具有較強的還原性，光生空穴具有較強的氧化性，納米半導體光催材料利用光生電子（e-）和光生空穴（h+）的氧化反應和還原反應，可以達到有效降解包裝印刷廢水中有害物質的目的。

用于廢水處理的幾類納米材料

1.碳納米材料

碳納米材料對包裝印刷廢水具有較強的吸附能力，但這種吸附能力與廢水的濃度、碳納米材料的含量以及作用溫度有關。廢水濃度越高、碳納米材料投入量越多，反應溫度越高，碳納米材料的吸附能力就越強。

經改良的碳納米材料在對油墨顏料吸附60min后達到一定的平衡，最大吸附容量為101.6mg/g。除此之外，碳納米材料對包裝印刷廢水中的Pb2+、Cu2+和Cd2+也具有一定的吸附作用。研究表明，經過硝酸氧化處理的碳納米材料對廢水中的Pb2+和Cu2+吸附能力增強，且吸附能力與廢水的pH值有關， pH值越大，碳納米材料對Pb2+和Cu2+的吸附能力越強。

2.石墨烯納米復合材料

利用石墨烯納米復合材料處理印刷廢水的途徑有兩種：一是利用石墨烯比表面積大的特性吸附有機污染物，起到凈化廢水的作用，改良的磁性石墨烯吸附能力強，可用于吸附油墨顏料、水性油墨中的丙烯酸樹脂等有機污染物；二是石墨烯納米復合材料具有光催化降解性能，可以降解包裝印刷廢水中的有機污染物，且其光降解能力明顯高于純二氧化鈦、氧化鋅等光降解材料，并且與二氧化鈦相比，石墨烯透明性較好，光譜吸收范圍大，光催化性能更強。

3.C60富勒烯

C60富勒烯可以通過吸附離子對和中性絡合物，對廢水中的Pb2+和Cu2+進行有效吸附。除此之外，C60富勒烯還可以通過π-電子作用吸附胺類、醇類、醛類、羧酸類、硫醇類、酮類以及烴類等有機物，在處理包裝印刷廢水方面具有重要應用價值。研究表明，C60富勒烯還具有選擇吸附性，其選擇性吸附作用強于鍵合硅膠C18。

4.鉍復合氧化物

鉍復合氧化物以及碳酸氧鉍材料可以吸收可見光，且光催化效率高，能高效降解有機物，近年來受到國內外科研工作者的廣泛關注。鉍復合氧化物的使用不僅拓寬了開發新型可見光催化材料的思路，還為研究光催化性能的影響因素提供了一個潛在的可行途徑與理論模型。

5.納米二氧化鈦

納米二氧化鈦不僅是一種固相萃取吸附劑，還是一種光催化劑，具有比表面積大、吸附與光降解重金屬容量高的優點。納米二氧化鈦表面覆蓋羥基時呈現電負性，可以有效吸附包裝印刷廢水中帶正電的金屬陽離子，如Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb以及Zn等金屬元素的陽離子。納米二氧化鈦表面吸附速率由二氧化鈦納米粒子的粒徑和晶型決定，小粒徑銳鈦型結構的二氧化鈦對污染物的吸附效率高。普通二氧化鈦光催化劑通過溶膠-凝膠和水熱方法摻雜Fe元素和Ne元素之后，不僅能提高其光催化劑的催化效率，還能擴大其光譜吸收范圍。

6.其他納米材料

納米堿土金屬氧化物可以對包裝印刷溶劑型油墨中的苯類物質進行有效化學吸附，這是一種破壞性吸附。經研究表明，納米堿土金屬氧化物對苯類物質的吸附活性順序為：BaO >SrO > CaO > MgO。此外，稀土氧化物La2O3和CeO2在無氧條件下可以有效吸附油墨中的苯類物質，且La2O3的吸附效率高于CeO2。

應用案例

筆者以某包裝印刷企業13ml油墨廢水為研究對象，利用納米二氧化鈦p25吸附和光催化降解作用，通過檢測廢水處理以后的COD值（即化學需氧量）來分析納米材料的吸附作用，從圖1油墨廢水降解率與納米二氧化鈦p25加入量的關系可以看出，隨著二氧化鈦p25納米材料加入量的增加，13ml油墨廢水吸附和降解率不斷增大；當二氧化鈦p25納米材料的加入量為0.2～0.6mg時，油墨廢水降解速率達到最快；當二氧化鈦p25納米材料加入量為1mg時，吸附和降解率可達95.25%。

二氧化鈦光催化劑雖然可以氧化處理包裝印刷廢水，但是需要在紫外光的照射下才能實現，而太陽光中紫外光只占4%，這無疑限制了二氧化鈦光催化劑的光催化性。于是，研究人員便將對其進行升級改良，即納米活性炭負載TiO2/Ag，這種物質可有效吸附和降解水性油墨中高COD值的污染物丙烯酸樹脂，且不受紫外光的限制。

以某包裝印刷企業800ml水性油墨廢水為研究對象，使用0.8g納米活性炭負載TiO2/Ag對其進行吸附與光催化降解。如圖2所示，在條件相同的情況下，納米活性炭負載TiO2/Ag與只有紫外光照射的TiO2微粉相比具有更好的吸附和光催化性能。同時，吸附降解相同量的廢水，納米活性炭負載TiO2/Ag的用量比TiO2微粉少十幾倍。可見，經改良以后的二氧化鈦不僅吸附與光催化效率高，而且用量低，可有效降低成本，提高包裝印刷企業的效益。

利用納米材料來處理印刷廢水具有操作簡單、價格便宜、可重復利用、不產生二次污染物等優點。經過納米材料吸附和光催化降解以后的廢水達到國家廢水排放標準，響應了國家綠色印刷的發展要求。此外，與傳統的廢水處理發方式相比，納米材料光催化降解包裝印刷廢水能耗少，可以減少包裝印刷企業解決廢水的投入成本，提高企業利潤，促進包裝印刷行業的可持續發展。endprint