多孔材料在水污染修復(fù)方面的應(yīng)用

摘要：針對水資源短缺現(xiàn)狀下水污染問題頻發(fā)的問題，以改善水生態(tài)為目的，介紹了多孔材料在水污染修復(fù)中應(yīng)用及局限性，重點對通過改性來實現(xiàn)多孔材料的性能提升進行了詳盡的闡述，為我國水污染的可持續(xù)利用提供參考，并對多孔材料的研究進行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：水;多孔材料;改性;性能提升

一、水污染現(xiàn)狀

水是人類賴以生存和發(fā)展的生命之源，人類的生產(chǎn)生活離不開水。我國水資源總量十分豐富，但是基于龐大的人口基數(shù)，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4，且水資源分布不平衡，占全國面積2/3的長江以北地區(qū)僅擁有全國1/5的水量，在我國2/3的城市存在供水不足問題，被聯(lián)合國認定為水資源緊缺國家。在社會經(jīng)濟發(fā)展進程中，由于環(huán)境保護意識的淡薄，科技水平的限制，利益驅(qū)使的亂排亂放等因素，逐漸導(dǎo)致污染物在水體中累積，造成水污染。據(jù)報道，我國水污染問題嚴重。在國內(nèi)七大水系的412個監(jiān)測點位中，水質(zhì)四類以上的點位約占58.2%，在監(jiān)測的27個重點湖庫中，僅有2個達到了二類水質(zhì)，5個為三類，4個為四類，6個為五類，達到劣五類的為10個。我國水污染的來源主要為工業(yè)廢水的超標排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷鉀等養(yǎng)分及農(nóng)藥的淋失和禽畜糞便的非法傾倒。水體中主要污染類型為富營養(yǎng)化、有機污染和重金屬類污染。

二、多孔材料在污染修復(fù)方面的應(yīng)用

水污染常用的修復(fù)方法為吸附法，通過吸附材料將水中的污染物富集到材料表面，再通過固液分離將吸附材料和富集的污染物從水中去除，達到凈化水體的目的。典型多孔材料（如生物炭）是一種極易獲取、成本低、可再生的環(huán)境友好型材料，因其較大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和較豐富的表面基團，常用于水中重金屬、有機污染物等的吸附固定，降低其生物有效性[1]。但是，隨著對多孔材料吸附性能的深入研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，多孔材料比表面積一定，孔隙結(jié)構(gòu)較為單一，可吸附的污染物有限，吸附過程中還會吸附一部分水中氫、氧離子，從而減少對污染物的吸附。研究表明，多孔材料對砷的吸附率僅為25%～35%[2，3]，吸附性能較低。

（一）多孔材料性能的提升

針對多孔材料吸附性能有限這一難題，學(xué)者們逐步研究提出了增加多孔材料性能的改良方案，主要包括給通過負載金屬、礦物、有機質(zhì)等對多孔材料進行改性[4，5]。單一物質(zhì)改性多孔材料可以提高其吸附性能，以針鐵礦改性多孔材料后對砷的吸附量可達65.20mg·kg，吸附性能相比未改性提高了62倍[3]，以氯化鐵改性后對Cd和鋅的吸附率由2%提高到60%以上[6]。以鋁及其化合物作為材料提升多孔材料吸附能力的研究顯示，負載鋁后材料對溶液中As（V）的吸附能力增強[7]。有學(xué)者用錳及其化合物對多孔材料進行改性，結(jié)果顯示改性后對硝酸根、銅等的吸附能力明顯增強[8，9]。雖然單一物質(zhì)改性后多孔材料的吸附能力有了一定的提升，但其吸附能力并未得到最大限度的開發(fā)。又有研究表明，以兩種物質(zhì)復(fù)合改性可以進一步提升多孔材料的吸附效能，其中三價鐵可以促進氧化錳對土壤砷的固定[10]，鐵錳復(fù)合改性多孔材料對硝酸根和磷的固定能力強于單一改性[9，11]。

（二）單一改性對多孔材料的吸附性能的提升

鐵化合物、鋁化合物、錳化合物常被用來改性多孔材料，提高其吸附性能。三價鐵離子的存在可以與As（Ⅲ或Ⅴ）形成鐵砷共沉淀，促進砷的穩(wěn)定化作用[12]。以鐵改性多孔材料可以提高其吸附性能。王思源等的研究表明，多孔材料經(jīng)由鐵和鐵氧化物改性后，C-O和Fe-O官能團增加，從而提高了對氨氮的吸附能力，其中鐵氧化改性多孔材料對氨氮的吸附能力提高了23.3-24.1%;鐵改性多孔材料對氨氮的吸附能力提高了14.1-14.3%[13]。唐登勇等人研究表明鐵改性后多孔材料對水中低濃度磷的吸附量提高了33.6倍[14]。蔣旭濤和遲杰研究也得到類似結(jié)論，鐵改性后多孔材料對磷的吸附量提高了18.4倍[15]。經(jīng)鋁化合物改性后，多孔材料的吸附性能顯著提升。改性后多孔材料對氟的吸附能力增強[16]，對Sb的吸附能力提升1倍左右[17]。鋁結(jié)合態(tài)砷在很多土壤中含量較高，其與鐵結(jié)合態(tài)砷是土壤中砷的主要存在形態(tài)，可占到土壤中砷總量的50%～60%[18]。基于鋁與砷的結(jié)合特性，利用鋁改性多孔材料后，其對溶液中As（V）的吸附能力增強[19]。錳材料因具有比表面積大、表面活性強、電荷零點低、負電荷量高等特點，常被用來改性多孔材料以提高其吸附性能。有研究表明，以高錳酸鉀改性多孔材料后，對Sb的吸附能力提高[17]，對硝酸根的吸附能力增強[8]。但是鐵、鋁、錳單一改性對多孔材料吸附污染物的能力增強幅度仍然有限，未能最大限度的提升材料的利用效率。

（三）復(fù)合改性對多孔材料吸附能力的提升

復(fù)合改性后多孔材料的吸附性能明顯優(yōu)于未改性時，羅海艷等人研究表明，鐵錳改性多孔材料對土壤鎘的鈍化效果優(yōu)于未改性時[20]。梁婷等以鈰錳改性多孔材料，研究其對土壤砷的固定效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，改性后多孔材料對紅壤、黃壤和紫色土中的砷固定率達70%以上，而未改性時其對土壤中的砷具有活化效應(yīng)[21]。一般認為，復(fù)合改性后多孔材料的吸附性能要高于單一改性。鄭曉青等發(fā)現(xiàn)FeCl和KMnO復(fù)合改性多孔材料對水中硝酸根的吸附能力可達75%以上，強于單一改性[9]。孫婷婷等研究發(fā)現(xiàn)以FeCl和KIMnO復(fù)合改性多孔材料，其對低濃度磷的吸附性能遠遠大于鐵或錳單一改性[16]。王思源等通過改性方法制備鐵改性多孔材料和鐵氧化改性多孔材料。通過吸附實驗對比研究不同改性多孔材料對氨氮的吸附效應(yīng)，結(jié)果表明，鐵氧化改性多孔材料對氨氮的吸附作用強，相對于未改性時，其飽和吸附量提高了23.3%-24.1%，鐵改性多孔材料次之，對氨氮的飽和吸附量較未改性時提高了14.1%-14.3%[13]。崔志文等施用KOH和FeCl復(fù)合改性小麥秸稈多孔材料，其對水中鎘的吸附性能相比KOH單一改性提高了27%[22]。

三、展望

通過多孔材料的應(yīng)用及對材料吸附性能的改性提升，可以有效地提高多孔材料對水中污染物的吸附性能，從而達到凈化水源、改善水生態(tài)環(huán)境、緩解我國水資源短缺和南北分布不均現(xiàn)狀的目的。當前，學(xué)者們研究多孔材料的種類集中在生物炭、納米管、氧化鋁空心球、多孔陶瓷等類型，還需對新材料的制備進行深入研究，開發(fā)出成本較低、吸附性能高的高性價比新材料。對材料的研究主要集中在提升材料吸附性能方面，而對材料的循環(huán)利用研究較少，今后要加強在材料循環(huán)利用方面的研究力度和深度，促進水污染修復(fù)的循環(huán)健康可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：閆波（1990-），男，山東德州人，碩士，工程師，主要從事污損土地修復(fù)技術(shù)研究。