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  • 纳米材料在环境治理中的应用
    发布时间:2020-06-30 14:14:10 浏览:99次

      随着工业的迅速发展,大量污染物被排放到环境中,引发了众多环境问题,例如土壤、水和大气污染,对生态环境和人类健康构成了极大威胁。近年来,随着纳米技术的兴起与发展,各种纳米材料被广泛应用于环境污染物的处理。与传统材料相比,纳米材料具有比表面积大以及活性位点多等优点,被认为是处理众多污染物的绝佳材料。

      1、纳米材料概述

      纳米材料是指该材料的基本单元在三维空间中,至少有一维尺寸在1-100nm范围内。纳米材料按维数可分为四大类:

     ?。?)零维纳米材料(0D):材料的三维尺度均在纳米尺度范围之内,如原子团簇、量子点和纳米颗粒等;

     ?。?)—维纳米材料(1D):材料的三维空间中有两维在纳米尺度范围内,如纳米线、纳米棒、纳米带和纳米管等;

     ?。?)二维纳米材料(2D):材料的三维空间中有一维在纳米尺度范围内,如纳米片、纳米膜和纳米板等;

     ?。?)三维纳米材料(3D):由上述纳米材料为基本单元构成的具有多级结构的块体,例如纳米片组装而成的花球、纳米棒组装而成的空心微球。

      在众多环境材料中,具有纳米结构的环境材料由于具有比表面积大、活性位点多以及污染物去除能力强等优点在环境领域成为持续关注的热点。

      目前,涉及到的环境纳米材料种类繁多,主要分为天然纳米材料和合成纳米材料两类。

      2、天然纳米材料在环境治理中的应用

      自然界中存在着大量的具有纳米结构的矿物,例如粘土矿物以及铁和锰氧化物纳米颗粒等。其中在环境中应用最为广泛的当属粘土矿物。

      由于粘土矿物无毒、廉价、自然界储量丰富且具有大的比表面积和阳离子交换量,近年来粘土矿物及其复合材料在环境领域成为研究热点。下面我们就环境中应用最为广泛的四种粘土矿物进行详细介绍。

     ?。?)高岭石

      高岭石是典型的1:1型的二八面体层状粘土矿物,一般呈假六边形层状结构,易沿着与层面平行的方向解理。由于具有非常好的可塑性、粘结性、分散性、绝缘性、耐火性和化学稳定性等,高岭石已经成为橡胶、造纸、陶瓷以及耐火材料等行业不可缺少的矿物原料。此外,高岭石在重金属和染料处理等方面也显现出较好的去除性能。

     ?。?)埃洛石

      埃洛石也属于1:1型的二八面体粘土矿物,一般呈中空纳米管状结构埃洛石纳米管的长度范围为0.2-2μm,内径和外径分别为10-40和40-70nm。埃洛石的中空管内外所带电荷不同,里面带正电荷而外面带负电荷。由于其特殊的中空管状结构和大的长径比及比表面积,近年来埃洛石在污染物去除以及药物运输等方面的研究成为热点。

     ?。?)蒙脱石

      蒙脱石是2:1型粘土矿物,一般为层片状形貌,具有优良的纳米结构属性、吸附性、催化性、粘结性以及分散悬浮性等性质,可作为粘结剂、悬浮剂、絮凝剂、稳定剂、脱色剂、催化剂等广泛应用于工业领域。

      而在环境领域,由于大的比表面积和丰富的硅羟基,蒙脱石主要作为纳米基底与其他纳米材料结合,应用于重金属的去除以及有机物的降解。

     ?。?)海泡石

      海泡石是一种纤维状的富镁粘土矿物,具有典型的层链状结构,与其他粘土矿物不同之处在于其含有连续的二维四面体晶片和非连续的八面体晶片结构。这种独特的纤维结构含有大量的内部孔道,允许有机和无机分子进入其结构中。由于海泡石的纳米纤维结构,其理论比表面积可高达900m2/g。

      此外,它还具有高的机械稳定性、良好的流变性能以及强的催化效应。因此,海泡石在石油化工以及环境领域应用非常广泛。尤其是近年来,由于海泡石高的比表面积、低廉的成本以及在自然界中丰富的储存量,其在环境领域的应用,如作为吸附剂、脱色剂、净化剂、过滤剂以及纳米基底材料,引起了研究者的极大兴趣。

      3、合成纳米材料在环境治理中的应用

      合成纳米材料是通过物理和化学加工的方法合成的具有一定纳米结构的材料。合成纳米材料与天然纳米材料相比,成分更纯,结构更具多样性,性能也更加突出。由于合成纳米材料一般具有比表面积大、表面活性位点多等特点,在环境污染物处理方面受到持续关注。

      但是,纳米材料对污染物的去除与其比表面积紧密相关。一般来说,大的比表面积有利于对污染物的去除。对于纳米材料而言,尺寸越小,其比表面积越大,相应的活性位点也越多,越有利于对污染物的去除。但尺寸越小,污染物处理后的沉淀的分离回收成为一大难题。而当纳米材料的粒径较大时,其比表面积较小,对污染物的去除效果不佳。相对而言,具有多级结构的纳米材料一般具备更大的比表面积以及更出色的污染物去除性能,因而在环境领域应用前景更为广泛。

      目前,研究者们已经制备出各种具有精美的多级结构的纳米材料,并研究了其在环境中的应用。

     ?。?)Mg(OH)2纳米花球

      例如,Lietal在60℃的水浴条件下,通过向MgSO4溶液中滴加氨水的方法,成功制备由纳米片穿插组装而成的Mg(OH)2纳米花球,该纳米花球对低浓度的稀土元素(ND、Eu、Tb、Dy、Yb)均表现出极高的富集和回收能力。即使在高的流速中,该纳米花球也能实现对稀土元素的有效固定。

     ?。?)空心羟基磷灰石微球

      Jiangetal通过水热法,在水溶性聚天冬氨酸(PASP)调控下,合成出由纳米短棒构成的空心羟基磷灰石微球,在重金属多元体系(Pb2+、Cu2+、Cd2+)的去除实验中,该空心羟基磷灰石微球对Cu2+表现出很好的选择性吸附。

     ?。?)梭形文石

      Yuetal采用便捷的微波辅助法制备出梭形结构的文石介晶,这种梭形文石能够有效去除水体中的LA(III)。

     ?。?)纳米复合材料

      在环境领域中,除了通过各种方法合成出具多级结构的纳米材料之外,将多种纳米材料通过一定的方法复合在一起制备纳米复合材料,也是提高纳米材料自身性能的一种方法。纳米复合材料在保持原组分性能的情况下,还可能会因为复合而产生原组分所不具备的新性能。

      此外,复合材料可以通过对原材料、各组分分布以及工艺条件等方面的设计,实现各组分的优势互补,最大限度地发挥优势。与单一的纳米材料相比,多种纳米材料复合而成的纳米复合材料在实际的复杂污染物去除方面往往具有更出色的表现。

      例如,Panetal通过原位氧化还原反应将MnO2纳米颗粒负载在氧化石墨烯薄膜上。结果显示,存在的MnO2纳米颗粒增加了氧化石墨烯的比表面积,并且该纳米复合材料对水体中的放射性核素Th(IV)和U(VI显现出极高的同时去除能力。

      Yuetal通过微波辅助法获得的Fe3O4/海泡石纳米复合材料,不仅表现出良好的分散性,且对低浓度Cr有极好的还原去除效果。

      此外,Liuetal以纳米水镁石花球为基底,将纳米零价铁负载在水镁石花球的纳米片上,避免了纳米零价铁颗粒的聚集,从而大大提高了对重金属Pb(II)的还原去除能力。

      来源:陈媛媛.环境纳米材料的制备及污染物去除研究[D].中国科学技术大学,2017.


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