文档介绍：第30 卷第1 期环境化学 Vol. 30,No. 1
2011 年 1 月 ENVIRONMENTAL CHEMISTRY January 2011
纳米材料在砷水处理中的应用
徐忠厚孟晓光
(Stevens Institute of Technology,Hoboken,New Jersey,USA. 07030)
摘要本文综述了纳米吸附材料在砷的水处理研究中的应用. 纳米吸附剂包括氧化铝、氧化铈、氧化锆、二
氧化钛、铁及其氧化物等以及它们的复合纳米材料.
关键词砷,纳米吸附剂,水处理.
由于岩石的自然风化、生物地球化学作用、矿山的开采、化石燃料的燃烧以及含砷农药的使用,水环
[1]
境中的砷污染在许多国家普遍存在,例如美国、中国、智利、孟加拉等. 长期摄入砷污染的水和食品会
[2]
导致多种癌症和其它健康问题. 砷的价态有- 3、0、+ 3、+ 5. 在水体中,砷的主要形态为砷酸
(H3 AsO4 )、亚砷酸(H3 AsO3 )及其阴离子. 由于生物转化和含砷农药的使用,有机砷(例如甲基砷、二甲
[3]
基砷等)也存在于湖泊河流和地下水中.
世界卫生组织的饮用水砷标准是10 μg·L - 1 . 2006 年,美国饮用水的砷标准从50 μg·L - 1 下降为10
- 1 [45]
μg·L . 砷的水处理技术主要有:氧化/ 沉淀、絮凝/ 电絮凝/ 共沉淀、吸附/ 离子交换、膜技术等. 应用
于砷处理的吸附剂很多,大致可以分为金属氧化物及氢氧化物、离子交换树脂、活性炭、工农业产品/ 副
[5]
产品等. 由于纳米材料具有吸附容量大和速度快等优点,纳米吸附材料在水处理中有良好的应用
前景.
随着粒子直径的变小,纳米粒子的表面原子的比重变高,棱/ 角效应变得重要起来;此外,粒子表面
[6]
的悬空未配位键以及点缺陷等增多. 因此纳米粒子具有特殊的光电磁性能. 粒径的变化会影响纳米粒
[78]
子的热力学和动力学(反应速率、选择性) . 例如,由于具有最大密度的表面台阶(适于吸附乙醇),
[9]
6 nm的金纳米颗粒对乙醇具有最佳的脱氢速率. 金纳米粒子的粒径与间二硝基苯的催化加氢的选择
[10] [11]
性也有关系,金纳米粒子小于5 nm 时,有利于生成间硝基苯胺. Liu 等的研究也揭示了纳米TiO2
[12]
对苯酚的光催化氧化存在纳米尺度效应,具有最大光催化效率的TiO2 的粒径为10 nm. Li 等研究了
纳米TiO2 催化氧化环己烷,其主要产物为环己醇而非环己酮,这与纳米TiO2 表面特征有关. 即随着粒径
4 + 4 + 3 +
的减小,TiO2 表面的氧空缺愈多(SufTi ),SurTi 捕获一个电子形成SufTi 催化活性位,从而选择
[13]
性地催化氧化环己烷,主要生成环己醇. Maira 等的研究表明不仅TiO2 的基本粒径影响其催化氧化
三氯乙烯,而且粒子的聚集态的粒径也有重要影响. 很多的文献报道了纳米粒子在催化过程中存在量子
[1415]
尺度效应,例如氧化铁和铜等. 由于比表面积增大和表面化学的变化,粒径减小也会导致纳米粒子
吸附容量的增加、吸附过程和机理的变化. 例如,由于表面原子的比例增加,粒径小的金纳米粒子表面自
[16]
由能大,因而其能吸附更多的染料. 由于表面尺度效应,在甲醇水的混合溶液中富勒烯C60 也选择吸
[17]
附甲醇.
本文就近年来发表的有关纳米吸附剂应用于砷的水处理的研究成果进行整理,有关结果列在表1
中. 文献主要来源于ACS、Elsevier、Wiley 和Springer 原文数据库.
1 氧化铝
[5]
活性氧化铝由于具有高的表面积、便宜、对砷的高选择性和易于使用,已成为处理砷的重要技术.
NanoScale Materials Inc 生产的纳米活性铝为非晶形,具有比表面积大(359 m2·g - 1 )、低密度、吸
[18] [18]
附容量高和活性高的特点,其pHpzc 为8 . 0 . Guan等研究了As(Ⅴ)在纳米活性铝上的吸附,当
2010 年9 月4 日收稿.
通讯联系人,Tel:12012168013,Email:xmeng@ stevens. edu
书
表1 纳米吸附剂处理As(Ⅲ)/ As(V)的比较
Table parison of nanomaterials for treating As(Ⅲ)/ As(V)
纳米吸附剂特征试验条件吸附容量柱试验参考
纳米吸附剂/ / / 吸附模型
比表面积粒径 pH 吸附剂用量文献