磁性納米材料在廢水處理中的應(yīng)用

孔令瑞

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西 西安 710100）

磁性納米材料是納米材料的一個重要分支，具有比表面積大、吸附速率快、吸附容量大、生物相容性好、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點，同時因其具有磁性利用磁分離來實現(xiàn)回收利用，因此在廢水處理中得到廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。

目前磁性納米材料中應(yīng)用較多的有CrO2、NiO和Fe3O4，其中使用研究最多的Fe3O4，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境治理等領(lǐng)域。

1 磁性納米材料性質(zhì)及制備

在廢水處理中，主要應(yīng)用磁性納米材料的優(yōu)異選擇吸附性能實現(xiàn)廢水的處理的，在廢水處理過程作為吸附劑，可去除水中重金屬離子、有機(jī)染料等，也可用于水的深度處理。

1.1 磁性納米材料的性質(zhì)

磁性納米材料的性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下5 個方面。

（1）物理尺度在納米量級，有抗磁性、順磁性、亞鐵磁性、反鐵磁性等磁學(xué)特性。

（2）具有獨特的光、熱、電和催化等特性，是應(yīng)用性最強(qiáng)的材料之一。

（3）具有良好的磁靶向性、生物可降解性、生物相容性等特點。

（4）具有優(yōu)異的吸附性能，并且在外加磁場下能夠快速實現(xiàn)分離、重復(fù)利用。

（5）不同種類的官能團(tuán)對Fe3O4改造后，能夠有選擇性、高效的對廢水中的重金屬離子和有機(jī)物進(jìn)行處理，比如制備石墨烯基磁性納米材料。

1.2 磁性納米材料的制備

磁性納米材料的制備方法很多，應(yīng)用較多的方法主要有化學(xué)共沉淀法、溶膠凝膠法、水熱法等。

（1）溶膠凝膠法。在一定條件下，將無機(jī)鹽或金屬醇鹽水解，使其不產(chǎn)生沉淀而形成溶膠，再縮聚凝膠溶質(zhì)使內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后制得磁性納米材料。

（2）化學(xué)共沉淀法。將Fe2+和Fe3+按一定比例與沉淀劑攪拌混合，從而得到Fe3O4磁性納米材料。

（3）水熱法。一般以水溶液或者溶劑為介質(zhì)，在高溫高壓下發(fā)生多相反應(yīng)，制得的材料分散度高，顆粒大小均勻。

2 磁性納米材料吸附性能的主要影響因素

在廢水處理中，主要利用磁性納米材料優(yōu)異的吸附性能，去除廢水中多種污染物，處理對象多為劇毒物質(zhì)和生物難降解污染物，對于重金屬、有機(jī)染料污染物的處理尤其有效。

吸附性能優(yōu)劣受多種因素影響，影響因素主要有所選用磁性納米材料本身的性質(zhì)、投加量、待處理廢水的物理化學(xué)性質(zhì)等。

（1）磁性納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)。由于磁性納米材料具有密集的微孔結(jié)構(gòu)，其孔容和比表面積都很大，孔徑十分小，故其吸附性好，因此具有良好的吸附性能。

（2）待處理廢水的物理化學(xué)性質(zhì)。廢水處理過程中，廢水中的重金屬等就充當(dāng)吸附過程中的吸附質(zhì)，廢水pH 值、廢水溫度等對廢水處理過程有重要影響。廢水中的H+、H3O+與重金屬離子間存在相互競爭吸附作用，當(dāng)pH 值較低時，H+、H3O+占據(jù)吸附劑表面具有吸附作用的吸附位點，隨pH 的升高，H+、H3O+占據(jù)吸附位點的能力逐漸降低，而帶正電荷的重金屬離子開始占據(jù)吸附位點，對重金屬離子的吸附能力增加。而當(dāng)pH 值過高時，大量存在的陰離子包圍金屬離子，形成帶負(fù)電的基團(tuán)，吸附效果降低。而當(dāng)pH 值超出重金屬離子沉淀極限時，大量的重金屬離子以氫氧化物沉淀的形式存在，吸附過程無法繼續(xù)進(jìn)行，在實際廢水處理過程中要注意調(diào)節(jié)廢水pH 值在適宜的范圍內(nèi)。廢水溫度升高，加快分子或離子運(yùn)動速度，單位時間內(nèi)吸附質(zhì)與吸附劑接觸次數(shù)增加，吸附速率加快，有利于吸附的發(fā)生。從節(jié)省成本和節(jié)約能源等角度考慮，吸附溫度應(yīng)適宜。

（3）磁性納米材料投加量。磁性納米材料投加量越大，提供的吸附表面積越大，活性位點越多，且在一定范圍內(nèi)，投加量與吸附質(zhì)去除率成正比。但隨著磁性納米材料投加量的增加，單位面積活性位點上吸附質(zhì)含量減少，比吸附量隨之下降，磁性納米材料利用率降低，因此其投加量應(yīng)適宜。

3 主要應(yīng)用場所

磁性納米材料因其特殊性質(zhì)，增大了其應(yīng)用范圍，在廢水處理中主要用于處理含重金屬污染物、有機(jī)污染物廢水。

3.1 重金屬污染廢水

重金屬廢水中常見的重金屬有鎘、鎳、汞、鋅、銅等，傳統(tǒng)處理方法包括化學(xué)沉淀法、電化學(xué)法、膜分離、離子交換法等。其中吸附法作為重金屬處理新方法，因吸附劑價廉、來源豐富、工藝簡單、成本低等優(yōu)點，具有廣闊的前景。

Fe3O4磁性納米顆?？衫霉渤恋矸ā⒍嘣挤ǖ确椒ㄖ频?，其中共沉淀法制得的Fe3O4磁性納米顆粒粒徑小，具有飽和磁化強(qiáng)度高，比吸附量高，分散性好，選擇性好，穩(wěn)定性好，可重復(fù)使用，可用于含 Cu2+、Cd2+、Cr2+等重金屬的廢水凈化。

（1）石墨烯基磁性納米材料表面有羥基、羰基、羧基等含氧基，能夠有效、快速的去除廢水中的Cr2+、Co2+。

（2）由于引入吸附基團(tuán)，SiO2磁性納米材料吸附功能增強(qiáng)的同時，增加了SiO2磁性納米材料的活性位點，可以依靠SiO2表面的羥基可有效的去除廢水中的 Pb2+、Hg2+。

（3）用不同的有機(jī)小分子官能團(tuán)對Fe3O4磁性納米顆粒進(jìn)行表面修飾，可以得到功能不同的有機(jī)小分子功能化磁性納米復(fù)合材料。例如硫醇Fe3O4磁性納米顆粒，可特異吸附Hg2+，用時少，15 分鐘可達(dá)吸附平衡，且其吸附效率不受溶液中其他離子的干擾。甘氨酸Fe3O4磁性納米顆粒能高效去除Cu2+，短時間可達(dá)到吸附平衡。

（4）用天然高分子聚合物或者人工合成高分子聚合物與磁性納米顆粒結(jié)合，從而形成有機(jī)高分子功能化磁性復(fù)合材料。高分子聚合物的存在在抑制納米顆粒的聚集的同時，通過對磁性納米顆粒的修飾大大增加其吸附性能。例如腐殖酸磁性納米復(fù)合顆粒，在pH=8.5 時，對Eu3+的吸附能力高達(dá)99%，且30 分鐘就可達(dá)到吸附平衡。

但是由于新制得Fe3O4磁性納米顆粒比表面能和反應(yīng)性極強(qiáng)，容易發(fā)生團(tuán)聚，在酸性和強(qiáng)堿性溶液中被腐蝕，從而實際應(yīng)用受到限制。

3.2 有機(jī)染料污染廢水

有機(jī)廢水一般由造紙、化工、印染等行業(yè)產(chǎn)生，廢水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白、纖維素等有機(jī)物，直接排放會造成水體富營養(yǎng)化，對水資源、人類的生活、甚至是生態(tài)系統(tǒng)造成了威脅。染色加工廢水中的染料對水的顏色重度污染，但其染色并不能由過濾、吸附、生物降解等方法除去，從而造成了持續(xù)污染。磁性納米材料應(yīng)用于有機(jī)污染物的處理也有石墨烯基磁性納米復(fù)合材料、SiO2磁性納米復(fù)合材料、有機(jī)小分子功能化復(fù)合材料、有機(jī)高分子功能化復(fù)合材料等四種情況。

Fe3O4納米材料在酸性環(huán)境中不穩(wěn)定，導(dǎo)致其使用酸度范圍受限，而實際水樣復(fù)雜，在處理過程中，其pH 值并不能保證總在適宜的酸度范圍內(nèi)，因此在實際得廢水處理中，研發(fā)一種具有在廣泛酸度范圍內(nèi)都有著良好的穩(wěn)定性的磁性吸附材料至關(guān)重要。如通過催化降解來實現(xiàn)Fe3O4磁性納米粒子對有機(jī)染料的處理，水熱合成法制得的石墨烯基磁性納米材料也可以快速高效的去除廢水中的苯胺和氯苯胺。而采用典型的有機(jī)金屬框架材料作為前驅(qū)體，合成的Co/C 磁性納米復(fù)合物，不僅具有磁性，而且耐酸，可用于羅丹明B 和孔雀石綠等常見的有機(jī)染料吸附。

4 應(yīng)用前景

磁性納米材料應(yīng)用于廢水處理主要利用其優(yōu)異的選擇吸附性能，處理有 機(jī)廢水和重金屬廢水效果良好，具有操作簡單、耗費成本低、污染小、可重復(fù)利用等優(yōu)點。吸附溫度、廢水pH、吸附時間和吸附劑投加量是影響吸附效果的主要因素，根據(jù)實際吸附條件，均有一個適宜水平。

針對不同的污染物，可研發(fā)出具有高吸附選擇性和高穩(wěn)定性的功能化磁性納米材料。同時研發(fā)的磁性納米材料具有環(huán)境友好、低毒性、對人體無危害、高效、價廉、便捷的優(yōu)點，并且磁性納米材料的制備過程簡單，成本低，應(yīng)用更加廣泛。

現(xiàn)階段仍存在制備技術(shù)不成熟、吸附效果易受廢水環(huán)境影響等缺點，需研究更具選擇性，高效性，環(huán)境友好型及對人體安全、無害的磁性納米材料。