納米材料在重金屬水處理方面的應用
摘要：目前重金屬的水污染問題受到人們極大的關注。納米材料比表面積大，導致其表面能和活性的增大，吸附能力增強。幾乎每一種納米材料的成功誕生，都有涉及環境工程開展的可能。特別在水處理技術方面，納米科技的應用就獲得了成功。納米材料在水處理領域的應用開發，具有良好的應用前景。
關鍵詞：納米材料；吸附；重金屬；水處理；水資源
一、水資源污染現狀
人類對水資源的需求正在以驚人的速度擴大，同時日益嚴重的水污染蠶食了大量可供消費的水資源。全世界每天約有200噸垃圾倒進河流、湖泊和小溪；所有流經亞洲城市的河流均被污染；美國40%的水資源流域被加工食品廢料、金屬、肥料和殺蟲劑污染。2007年底，美國科學家在為包括首都華盛頓等地區提供飲用水的波托馬克河發現奇怪現象，河中一些黑鱸兼具雄性和雌性生理特征，成為雙性“陰陽魚”，而水污染就是最大元兇。過去十年，水污染中的激素成分已在不同國家導致鱷魚、青蛙、北極熊和其他動物發生畸形變異，給全世界敲響了警鐘。我國目前也已經進入水污染密集爆發階段，江河湖庫及近海海域普遍受到不同程度的污染，總體上呈加重趨勢。不適合作飲用水源的河段已接近40%；工業較發達城鎮河段污染突出，城市河段中90%的河段不適合作飲用水源；城市地下水50%受到污染，水污染加劇了我國水資源短缺的矛盾，對工農業生產和人民生活造成危害。中國環境監測總站 2008年一至四月對全國地表水水質監測結果表明，長江安徽段的巢湖全湖平均為V類；黃河支流渭河的渭南市、淮河支流沙潁河的周口市的國控斷面全部為劣V類。
水體中的污染物大致可以分為三類：重金屬、有機物、細菌和病毒。其中含重金屬離子廢水的污染尤為嚴重。重金屬廢水主要來源于采礦、選礦、冶煉、電鍍、化工、制革和造紙工業，這些行業產生的含鉛、汞、鎘、鉻、鎳、銅、鋅等重金屬的廢水排入天然水體后，不僅對水生生物構成威脅，而且可能通過沉淀、吸附及食物鏈而不斷富集，破壞生態環境，并最終危害到人類的健康。重金屬隨廢水排出時，即使濃度很小，也可能造成危害。重金屬離子及其化合物的毒性，一般都是通過與生物機體成分的結合而發揮作用，與生物體結合作用越強則毒性越強。自20世紀50年代在日本出現水俁病和骨痛病，并且查明這是由于汞污染和鎘污染所引起的“公害病”以后，重金屬的環境污染問題受到人們極大的關注。發展重金屬廢水處理技術，不僅有利于環境保護，而且可以促進工業發展和人類社會的進步。
二、已開發出的治理重金屬廢水的技術
人們從認識到重金屬廢水的危害至今已開發出多種治理重金屬廢水的技術，可以歸結為以下幾種：（1）中和沉淀法；（2）化學沉淀法；（3）氧化還原法；（4）氣浮法；（5）電解法；（6）生物法；（7）蒸發和凝固法；（8）離子交換法；（9）吸附法；（10）溶劑萃取法；（11）液膜法；（12）反滲透和電滲析法。在這些方法中，吸附法越來越被重視。隨著科學技術的發展，人們在上述重金屬廢水治理技術的基礎上，開發出了多種用于處理重金屬廢水的材料。如楊越冬等用脫乙酰甲殼處理含Pb2+廢水；陳泉水用粉煤灰處理含重金屬廢水；楊曉玲用硅藻土處理含 Pb2+、As3+、Cd2+的重金屬廢水，日本用蒙脫石處理鑄鐵生產污水，印度的Y.C.Sharma用瓷土（主要成分是高嶺土）處理含 Cr6+廢水，發現吸附效果良好；G.Blanchard等用天然斜發沸石去除廢水中的Pb2+、Zn2+、Cu2+等重金屬離子，我國曾用凹凸棒石、粘土處理含Pb2+、Cd2+廢水，處理后的水質達到國家排放標準，聶利華等研究了用海泡石處理含鉛、汞、鍋廢水和鍍鎳廢水，經海泡石處理過的上述廢水可以達到國家排放標準；日本的T.Suzuki等研究發現合成的羥基磷灰石對重金屬離子（Pb2+、Cd2+、Cu2+、Ba2+）具有很好的去除效果。在這些材料中，礦物環境材料更是人們關注的重點。而據報道，一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氧化鋁的10～20倍，因此能將污水中懸浮物完全吸附沉淀下來。
三、納米材料在重金屬水處理方面的應用
當物質顆粒大小被粉碎到納米量級（1～100nm）時，物質的表面特征和晶體結構發生顯著改變，納米晶體粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大，引起性質上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；而粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。粒子直徑為10納米和5納米時，比表面積分別為90m2/g和180m2/g。如此高的比表面積會出現一些極為奇特的現象，如無機納米粒子會吸附氣體等。據文獻資料報道，納米技術表現出對空氣中20nm和水中200nm污染物的清除能力是其他技術不可替代的。
納米材料的基本構成決定了它超強的吸附能力。應用納米材料的水處理技術當屬納米宏觀應用研究范疇。因此納米技術可以用在水處理產業中，用于提高水的質量。國外有研究者將納米技術與資源、污染控制聯系在一起，認為納米技術可以在環境修復、低成本脫鹽等領域發揮作用。美國萊海大學的環境工程學教授張偉賢領導的研究小組已經合成出了一種直徑不到50納米的鐵微粒，這些微粒能以更快的速度使地下水恢復清潔；我國也有這方面的初步研究，吉林大學的韓煒教授及其研究小組也利用納米鋁粉制備出AlO（OH）納米纖維，并將AlO（OH）納米纖維與玻璃纖維、活性炭復合，去除含低濃度重金屬Cd2+離子的待凈化溶液效果很好，與傳統的水源凈化方法相比，該技術成本更低、效率更高。
納米科學的特點是多學科的交叉性，由于環境科學同樣的學科復雜性，幾乎每一種納米材料的成功誕生，都有涉及環境工程開展的可能。特別在水處理技術方面，納米科技的應用就獲得了成功。納米科技的發展為水處理工藝的進步注入了強大的活力，人類對“環境納米學”的研究正不斷升溫。納米科技研究的不斷深入，納米理論的不斷完善，必將為水處理技術的發展插上騰飛的翅膀，環境保護工程也將擁有一個燦爛的明天。
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作者簡介：蘆明霞（1980－），女，山西長治人，吉林大學珠海學院公共基礎教學與研究中心助教，碩士，研究方向：納米材料的制備與應用。
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