改性碳納米材料在污水處理中的吸附機制及應用分析

摘要：隨著工業(yè)化進程的加快和人口規(guī)模的持續(xù)擴大，水污染問題日益嚴峻，尤其是有機污染物和重金屬離子對水環(huán)境的危害愈加突出。作為傳統(tǒng)的污水處理材料，活性炭、絮凝劑等存在處理效率低、重復使用率低、處理成本高等問題，因此開發(fā)高效、低成本的水處理材料成為研究重點。碳納米材料具有優(yōu)異的物理化學性質，如高比表面積、良好的化學穩(wěn)定性和可調節(jié)的表面功能性，成為污水處理領域的研究熱點。對碳納米材料進行表面改性，可以顯著提升其對污染物的吸附能力，其在去除有機污染物和重金屬離子方面表現(xiàn)出色。研究表明，改性碳納米材料為高效、綠色的污水處理提供重要的技術支持，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：改性碳納米材料；污水處理；吸附機制

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-03

Adsorption mechanism and application analysis of modified carbon nanomaterials in wastewater treatment

FANG Ruina1，2， ZHAO Xinchen3， ZHAO Fengxue1， LIANG Shanshan1， YAO Xinding1，2

（1. Yellow River Conservancy Technical Institute;

2. Henan Engineering Technology Research Center of green coating materials， Kaifeng 475004， China;

3. Yangtze Three Gorges Technology amp; Economy Development Co.， Ltd.， Beijing 101100， China）

Abstract： With the acceleration of industrialization and the continuous expansion of population size， the problem of water pollution is becoming increasingly severe， especially the harm of organic pollutants and heavy metal ions to the water environment is becoming more prominent. As traditional sewage treatment materials， activated carbon， flocculants， etc. have problems such as low treatment efficiency， low reuse rate， and high treatment cost， therefore， the development of efficient and low-cost water treatment materials has become a research focus. Carbon nanomaterials have excellent physical and chemical properties， such as high specific surface area， good chemical stability， and adjustable surface functionality， making them a research hotspot in the field of wastewater treatment. Surface modification of carbon nanomaterials can significantly enhance their adsorption capacity for pollutants， and they perform well in removing organic pollutants and heavy metal ions. Research has shown that modified carbon nanomaterials provide important technical support for efficient and green wastewater treatment， and have broad application prospects.

Keywords： modified carbon nanomaterials; wastewater treatment; adsorption mechanism

碳納米材料是指分散相尺度至少有一維小于100 nm的碳材料，碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是碳納米材料的主要類型之一。碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體，一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。?碳納米管結構獨特，導電與導熱性能優(yōu)異，它具有高強度和高韌性，廣泛應用于電子學、能源、材料科學、生物醫(yī)學和環(huán)境科學等領域。表面改性是有效提升碳納米材料吸附性能的重要方法，各種污染物能夠實現(xiàn)高效吸附與去除。吸附機制方面，碳納米材料不僅依靠物理吸附和化學吸附，還通過氫鍵作用、π-π相互作用等多種非共價相互作用提高其對有機污染物和重金屬離子的吸附能力。探索改性碳納米材料的吸附機理和實際應用效果，對于推動新型水處理材料開發(fā)、優(yōu)化現(xiàn)有處理工藝以及提升污水處理效率具有重要的理論和實踐意義。

1 碳納米材料改性方法

1.1 金屬氧化物改性

經過特定金屬氧化物處理的CNTs表面被有效包裹，這些氧化物與CNTs展現(xiàn)出良好的相容性。金屬氧化物的特性使其成為CNTs理想的表面修飾物質。采用n型半導體二氧化鈦對CNTs進行表面修飾，試驗結果顯示，該復合材料對鹽酸四環(huán)素的吸附容量高達52.33 mg/g，同時H2O2與TiO2的光催化協(xié)同作用實現(xiàn)材料的有效再生。采用稀土元素氧化物氧化鈰對CNTs進行修飾，這種復合材料顯示出較強的吸附性能，在無干擾離子的環(huán)境中，水中砷酸鹽的吸附容量能夠達到10 mg/L，相較于氧化改性方法，具有更佳效果[1]。常規(guī)金屬氧化物也廣泛應用于CNTs的吸附研究，二氧化錳可用于對CNTs進行改性，處理含銻（Ⅲ）重金屬污染物的廢水時，改性后的CNTs吸附效率可達到97.72%，顯示出其作為吸附材料的優(yōu)秀性能和實際應用的巨大潛力。

1.2 有機物改性

1.2.1 非共價鍵改性

非共價鍵改性是一種常見方法，表面活性物質等特定的高分子物質附著在CNTs表層，賦予CNTs極性特征，而這一過程并不破壞CNTs的基本架構，屬于一種物理方式的表面處理。科研人員曾采用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinyl Pyrrolidone，PVP）這種兩親性聚合物對CNTs進行非共價修飾，以實現(xiàn)對水中亞甲基藍的有效吸附。試驗條件下，pH值為8且PVP濃度為12 mg/L時，工業(yè)廢水中的亞甲基藍吸附效果顯著。另外，有研究者利用帶有偕胺肟基團的多壁CNTs吸附鈾（Ⅵ）離子，在pH值為5.0的環(huán)境下，其最大吸附量可達67.9 mg/g。還有研究通過引入氨基等功能團來改善多壁CNTs的表面，使其對水中的鉛離子具有85%以上的吸附率，顯示出在水處理中對鉛離子的有效去除能力[2]。

1.2.2 共價鍵改性

共價鍵改性技術涉及氧化或其他類型的化學反應，目的是賦予CNTs表面極性特征，從而提升其性能?？蒲腥藛T曾利用羥基等有機官能團對CNTs進行表面修飾，進而研究它們對磺胺類藥物的吸附能力，發(fā)現(xiàn)在pH值約為7的條件下，吸附率達到最高，水體中的磺胺類藥物污染能有效地消除。此外，有研究者采用混合酸處理CNTs，使用濃硫酸和濃硝酸的混合液（體積比3∶1）對CNTs進行表面修飾，研究其對水中Cr3+的吸附性能，結果表明，隨著時間的推移和pH值的升高，吸附能力增強，混合酸處理后的CNTs吸附效果尤為顯著。在對比研究中，為了探究有機官能團修飾和其他材料改性對CNTs吸附性能的影響，研究人員對羥基化、羧基化以及石墨化改性的CNTs進行吸附鄰苯二甲酸和甲苯酸的試驗。結果表明，羥基化改性CNTs在吸附能力上最為突出，而石墨化改性CNTs的吸附能力相對較弱。經解吸試驗，由于含氧基團的作用，前兩種改性CNTs在解吸過程中存在滯后現(xiàn)象。

2 改性碳納米材料在污水處理中的吸附機制

2.1 物理吸附機制

碳納米材料具有極高的比表面積和豐富的孔結構，這些特點使其能夠提供大量的吸附位點。尤其在污水處理過程中，污染物分子通過范德華力與碳納米材料表面相互吸引，實現(xiàn)物理吸附[3]。例如，染料分子、油脂、部分重金屬離子等可以通過與碳納米材料表面微孔或納米孔的物理接觸進行吸附。此外，碳納米材料的疏水性特征促使其對有機物的吸附能力較強，這種疏水性使得大分子有機物在水中的溶解度降低，從而被納米材料表面有效捕捉。由于物理吸附不涉及化學反應，其吸附過程通常較為快速，并且可以通過簡單的脫附或再生方法實現(xiàn)材料的重復使用，循環(huán)利用價值良好。

2.2 化學吸附機制

改性碳納米材料通過表面官能團的引入，如羧基（-COOH）、氨基（-NH2）、氫氧基（-OH）等，使其具有更高的親水性和更強的吸附能力。這些官能團能夠與水中的污染物發(fā)生化學反應或形成配位復合物，增強吸附能力[4]。例如，氨基團可以與水中的Pb2+、Cu2+等重金屬離子形成絡合物，顯著提高對重金屬的去除效率。同時，表面官能團與有機污染物（如染料、農藥等）發(fā)生氫鍵作用或π-π相互作用，進一步促進有機污染物吸附?；瘜W吸附的優(yōu)勢在于其吸附容量通常較大，吸附過程較為穩(wěn)定，不易被簡單的外界條件改變。然而，這種機制的缺點在于其吸附過程較慢，多依賴于特定的化學反應條件，因此對于不同的污染物，要調節(jié)改性方法和優(yōu)化反應條件，才能實現(xiàn)應用效果的最大化[5]。

3 改性碳納米材料在污水處理中的應用

3.1 有機廢水處理

改性碳納米材料在廢水處理中具備良好的有機污染物吸附能力，特別是在消除諸如染料、農藥和藥物殘留等難降解有機物方面尤為突出。廢水中的有機污染物往往具有較高的親水性和顯著的分子間引力，常規(guī)吸附劑難以實現(xiàn)高效的去除效果。然而，經過改性的碳納米材料因其較高的比表面積、多樣的孔隙結構和活性表面基團，能夠通過物理和化學吸附機制有效地去除這些污染物。

改性碳納米材料憑借較高的比表面積和微觀的孔隙結構，為吸附過程提供豐富的活性位點，從而大幅提升與有機物的接觸頻次，實現(xiàn)吸附效果的顯著增強。活性基團能夠與有機污染物產生氫鍵作用、靜電吸引或其他化學反應，進而增加吸附容量。在去除染料、農藥等有機污染物方面，改性碳納米材料表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性吸附特征。針對那些高分子量的有機污染物，碳納米材料利用π-π堆疊作用，能夠實現(xiàn)有效的吸附，這種作用特別在芳香環(huán)結構污染物與碳納米材料表面的π電子云之間發(fā)生，從而增強對這類化合物的吸附效果。

3.2 重金屬廢水處理

改性碳納米材料的表面常常經過功能化處理，如引入羧基、氨基、羥基等官能團，這些官能團在吸附重金屬離子時發(fā)揮重要作用。例如，氨基和羧基具有較強的絡合作用，能夠與水中的重金屬離子形成穩(wěn)定的絡合物或配位復合物。以鉛離子（Pb2+）為例，氨基能夠與鉛離子形成配位復合物，有效提高鉛離子的去除率。此外，改性碳納米材料的表面可以通過靜電作用與重金屬離子發(fā)生吸附，特別是水的pH值較低時，表面帶負電荷的材料能夠有效吸附帶正電荷的金屬離子。

改性碳納米材料的孔結構對重金屬離子的吸附也起到重要作用。由于其具有大比表面積和納米級孔隙結構，改性碳納米材料提供豐富的吸附位點，可以有效容納并吸附水中的金屬離子，進一步提高去除率。例如，石墨烯及其衍生物能夠通過其層狀結構和π-π相互作用增強對某些重金屬離子的吸附能力。

改性碳納米材料在去除重金屬離子的過程中表現(xiàn)出較強的選擇性。在不同pH值的水環(huán)境中，不同的金屬離子與碳納米材料的表面官能團發(fā)生的相互作用不同，這使得改性碳納米材料可以根據(jù)具體的污染物特性，進行針對性的去除。

4 結論

碳納米材料因其獨特的物理化學特性，如超高比表面積、豐富的孔結構和良好的化學穩(wěn)定性，近年來在污水處理領域取得一定進展，特別是在表面改性和多種吸附作用的協(xié)同作用下展現(xiàn)良好的去污能力和再生性能。然而，改性碳納米材料在實際應用中的穩(wěn)定性、成本效益以及大規(guī)模應用等方面仍需要進一步研究。隨著納米技術和表面功能化技術的持續(xù)發(fā)展，改性碳納米材料有望在污水處理領域實現(xiàn)更廣泛的應用，為環(huán)境污染治理提供更高效、綠色的解決方案。

參考文獻

1 于曉彩，于潤強，周海林，等.改性碳納米管（CNTs）在水污染處理中的應用及再生研究進展[J].大連海洋大學學報，2020（5）：786-792.

2 單丹娜.碳基納米材料吸附水中藥物類污染物的研究進展[J].中國給水排水，2024（14）：42-50.

3 董夢嬋.碳納米材料低壓膜去除小分子量有機污染物機理研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2022.

4 陳 韜.摻雜碳納米材料對水體污染物的吸附模擬研究[D].唐山：華北理工大學，2021.

5 何隆平.納米材料在城市污水處理中的應用[J].清洗世界，2023（7）：78-80.

收稿日期：2024-12-11

基金項目：開封市科技計劃項目“無定形MnO2復合碳納米管新型活性材料的制備及其對水體中卡馬西平的降解研究”（2401005）。

作者簡介：方瑞娜（1986—），女，河南滑縣人，碩士，副教授。研究方向：綠色化工與新型材料制備。