纳米金属氧化物吸附剂除砷研究进展.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()中央支持地方高校改革发展计划项目(藏财科教指 号 号)西藏大学人才发展激励计划学科领军人才()作者简介:肖方景()男福建三明人在读硕士师从江桂斌研究员 电话:.通信作者:布多()男(藏族)西藏林芝人教授博士 :.张强英()女四川乐山人副教授博士 :.纳米金属氧化物吸附剂除砷研究进展肖方景陈优华德伟张瑶布多张强英(西藏大学 生态环境学院西藏 拉萨)摘 要:综述了国内外诸多纳米金属氧化物吸附剂在除砷领域的研究现状和进展系统地总结了不同类型纳米金属氧化物的材料组成、物相特性、吸附机制、吸附能力、应用情况等 阐述了单一、二元和三元金属氧化物纳米材料在除砷领域的应用 通过不同纳米金属氧化物的比表面积、吸附容量、除砷效率、适用 范围等指标对比评估材料除砷性能优劣并探讨了主要的吸附机理 总结归纳了当前纳米金属氧化物吸附剂除砷技术面临的转化应用难度大、再生性能差等问题并提出了多金属协同、多种机理配合、优化设计专属性等具有一定参考价值的纳米金属氧化物吸附剂未来发展对策和建议关键词:砷纳米金属氧化物吸附机理吸附性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:自然界中的砷主要以无机砷()和()的形式存在砷可通过自然过程和人类活动进入环境介质中如:含砷矿物的水岩相互作用、工业废水排放和化石燃料燃烧等途径 砷的暴露主要是通过食物和饮用水可经皮肤黏膜、呼吸道、消化道进入体内造成砷中毒 年 月来自 个国家的 位科学家在国际癌症研究机构()举行会议重新评估砷的致癌性并确定致癌机制呼吁发展除砷技术开发切实可行的去除水体中砷污染的技术是国内外关注的热点 目前正在寻找不同的技术来去除水环境中的砷高效的除砷技术有膜分离、混凝沉淀、离子交换、生物处理和吸附技术等其中吸附技术具有高效、吸附剂成本低廉、可供选择的吸附剂种类较多、吸附剂能再生等优点当前吸附技术的核心是发展高效的吸附材料在众多的吸附剂中纳米金属吸附剂具有表面原子不饱和度高、丰富的表面功能基团、多样的化学组分以及多变的结构、形貌等特性被广泛应用于水环境中砷的吸附去除 总结了常见的纳米金属氧化物吸附剂除砷的研究进展探索高效的除砷吸附剂为开发砷处理技术提供科学依据并对砷污染去除技术研究中值得关注的发展方向进行了展望应用化工第 卷 单一金属氧化物.氧化锆氧化锆()因其廉价、无毒、强化学稳定性和强抗腐蚀性等优势而被广泛应用在水体除砷纳米 表面含有丰富的羟基高比表面积和强稳定性能与含砷离子发生配体交换对砷的吸附性能强 等合成了新型超大尺寸 纳米片由于具有高比表面积、丰富的羟基数量和较强化学吸附亲和力纳米片能在较宽的 范围内表现出对()高的吸附性能 实验结果表明在 时纳米片对()的最大吸附量达到./纳米片对模拟()废水表现出极快速的处理效果吸附后水体砷浓度达到世界卫生组织规定的标准 等以 纳米粒子为原料在琼脂粉的辅助下制备了多孔、纳米结构的球状 然后在 下热处理去除琼脂网络为合成球状 提供了一种简单、低成本、安全的工艺 微球具有双层孔隙结构极大地增加了其比表面积(约 /)能与水中的含砷形态快速吸附 采用醇热法制备了 纳米颗粒醇热法制备的 纳米颗粒主要为四方相 相纳米颗粒的投加量越多除砷的活性位点也增加同时降低溶液 值和增加接触时间均可提高去除效率 因无毒、稳定性好、耐酸碱表现出优异的性能在水处理实践中具有潜在的应用前景.氧化镁氧化镁()材料具有高比表面积、丰富的羟基基团、大量的活性位点、高效的吸附性能、低成本、绿色无污染等特性被广泛用于除砷吸附剂 等合成了以纳米片为结构单元的多级介孔/大孔 研究表明纳米 对 ()的最大吸附量为./多模态的孔径分布为离子扩散提供了合适的通道有利于污染物进入吸附剂内表面()的吸附机理主要为表面络合和功能机交换(羟基和砷酸根的交换)()对复合污染地下水样品的去除率为.纳米 对废水中砷酸盐具有高效的吸附性能同时对有机砷也具有吸附效果因此 等考察了纳米 对有机砷污染物的去除性能研究表明 纳米颗粒对胂酸具有高的吸附容量(/)远高于大多数已报道的吸附剂 循环再生采用煅烧策略为实现芳香族有机砷废水的处理提供了一种更加环保和经济的方法.氧化铈氧化铈()作为一种经济的稀土材料具有较好的抗酸碱能力由于对水中砷离子具有较强的亲和力 铈基氧化物被用于高效吸附剂去除水体中的砷离子 是一种很有前景的金属氧化物吸附剂 等采用 纳米复合材料功能化后的陶瓷过滤器()去除水中的()通过影响因素考察发现砷初始浓度和 是影响()去除的重要因素 基于吸附实验和吸附剂表征揭示了 去除()的机理主要为离子交换和静电吸附 研究结果能为发展中国家偏远地区使用 作为高效、低成本和安全净水方法提供了有力的依据 等制备了二氧化铈纳米颗粒()的聚集体 通过材料表征分析溶剂在加热 后制备的纳米 聚集体的结晶性最好比表面积最大(./)由于纳米 聚集体的高比表面积带来的高活性对低浓度砷溶液具有较高的除砷效率作为砷吸附的应用具有广阔前景 等采用氧化还原沉淀法制备了埃洛石(.)纳米材料并对()去除性能进行了评价 结果表明优化后的埃洛石纳米材料的比表面积和孔体积分别为././表现出优异的()吸附能力(./)吸附机理包括表面络合物、()的氧化和()的吸附埃洛石纳米材料可作为去除污染水体中()的高效吸附剂.氧化铁氧化铁是除砷的重要吸附剂亚砷酸盐和砷酸盐在铁氧化物的表面具有良好的亲和性此外铁氧化物还具有良好的稳定性、表面反应活性强、价廉易制和便于回收等特点 等通过二水合草酸亚铁和氧化石墨烯的水热反应在不使用还原剂的情况下直接制备了整体式的/石墨烯纳米材料 还原氧化石墨烯形成了相互连接的网络结构石墨烯网络和孔道有利于电子和离子快速的转移传输可作为活性 纳米颗粒的载体该纳米材料作为一种自支撑吸附剂为活性材料负载到合适的基底上提供了新的思路由于优异的去除水中()的能力可作为一种有前途的净水材料 等研发了大孔二氧化硅包裹氧化铁新型纳米材料 选择具有大孔径()和高孔容(./)的大孔二氧化硅泡沫作为多孔基质纳米粒子的开放大孔结构、高负载量和非聚集性导致了吸附位点的增加从而 纳米材料对未经预处理的()和()(/)具有较高的吸附容量 该纳米材料可应用于家用饮用水处理装置可连续处理 含()废水吸附后水体砷浓度低于世界卫生组织标准 等将磁性硫掺杂 纳米颗粒()作为吸附剂应用于()的去除通过低温混合和高温烧结两步法制备了 在 为 的较宽范围内均能有效去除()()的吸附容量高达./远远优于未掺杂的 纳米颗粒(./)此第 期肖方景等:纳米金属氧化物吸附剂除砷研究进展外吸附后的磁性 吸附剂可以在外加磁场的作用下从废水中快速分离因此:是去除水中()的理想选择 二元金属氧化物复合金属氧化物吸附剂可以继承单一金属氧化物的优点并且具有协同效果、取长补短与单一金属氧化物吸附剂相比具有更好的吸附性能 因此为了克服单一金属氧化物吸附剂在水处理技术方面存在的局限性制备两种不同金属氧化物的复合型材料 将成为制备高效吸附材料的发展趋势 等合成了双功能 磁性纳米粒子粒径约在 之间通过光催化氧化实现了()的吸附去除制备的吸附剂饱和磁化强度为./满足磁分离要求通过简单的磁分离过程实现了固液分离 紫外光照射下纳米颗粒可将()氧化为毒性较小的()()可以高效地吸附在纳米颗粒表面()的吸附动力学符合准二级动力学模型吸附等温线符合 模型在 .时纳米颗粒物的最大吸附量为./合成的磁性结合了 的光催化氧化性能和 的高效吸附能力在含()废水中表现出优良的性能 等合成铁酸锰/氧化石墨烯(/)纳米材料用于()的去除 通过 射线衍射()、傅里叶变换红外光谱()、透射电子显微镜()和振动样品磁强计()对纳米复合材料进行了表征分析 纳米复合材料中 去除()的适宜质量比为 吸附动力学过程符合准二级动力学吸附等温线符合 模型最大吸附量达./因此/纳米复合吸附剂是()去除的高效吸附剂 等合成了双功能 纳米材料在紫外光照射下光催化降解对氨基苯胂酸()生成()通过吸附作用实现溶液砷的高效去除 考察了初始、氯离子浓度、氨氮和腐殖酸浓度等因素对 降解的影响 在初始 的条件下产生的()可以高效地吸附在 纳米颗粒表面吸附效率达到 以上合成的磁性 纳 米 颗 粒 在 降 解 吸 附 水 环 境 中 方面具备潜在应用前景 等合成了分级多孔 纳米球在中性吸附条件下剩余砷浓度为./低于生活饮用水卫生标准对 的限量规定中空纳米球对()和()的吸附容量分别为./和 射线光电子能谱()分析表明砷在 纳米球上的吸附是通过砷形态取代羟基形成表面络合物 在实际含砷地下水处理中在初始砷浓度高达./下纳米球能实现以上的总砷去除率无需任何预处理或 调节就能达到世界卫生组织规定的饮用水中砷的限值 等采用共沉淀法制备了复合吸附剂/并应用在水体中()的去除 考察了热力学参数、吸附动力学和吸附机理 动力学研究表明吸附过程符合准二级动力学模型、和 等热力学参数计算结果表明吸附过程为自发的放热反应由 等温线计算的吸附容量为./纳米复合材料可有效去除水溶液中()三元金属氧化物三元复合金属氧化物扩大了吸附剂的 使用范围获得了高效率和低成本的吸附剂因此三元复合金属氧化物吸附剂得到了广泛开发和应用 等采用氧化共沉淀法合成了新型纳米结构 复合氧化物()吸附剂呈无定形异质纳米颗粒聚集体比表面积高达./对()和()均有较好的去除效果 时 的最大吸附量分别为./()和./()阴离子干扰离子的抑制作用顺序为:表面络合、配位络合/().离子交换、配位络合、物理化学相互作用()功能基团配位络合().取代作用().光催化氧化作用/().静电吸引、表面络合().内层络合作用().取代作用、表面络合().化学吸附().孔道填充、表面络合、氧化作用().表面络合氧化吸附().氧化还原、表面配体交换().氧化还原、表面配体交换().氧化还原、配体交换反应().化学吸附、氧化还原作用、表面络合 结论和展望综述了常见纳米金属氧化物吸附剂除砷的吸附性能分析对比了吸附剂的比表面积、适用 范围、最大吸附量、去除效率和吸附机理结论如下:()()为电中性因而较()的去除难度更大通常制备氧化性较强的吸附剂将()原位氧化为()从而实现砷的高效去除()从性能对比来看二元金属氧化物吸附剂相较于单一和三元金属氧化物吸附量更大吸附性能优良 对比单一金属氧化物去除率发现、和 吸附剂具有更优良的吸附性能其次是、和 由于实际含砷废水基质复杂大多样品均采用模拟含砷溶液很难将制备的纳米金属氧化物吸附剂应用到实际水体中因此研究人员正在致力于高效、高选择性的专属除砷吸附剂 此外纳米金属氧化物吸附剂种类较多大多数是由稀有或贵金属氧化物制备而成研究人员正在考虑高效吸附性能的同时兼顾制备成本 最后含砷吸附剂的去向问题一直是吸附领域备受关注的问题大部分金属氧化物吸附剂有着高效吸附性能但往往受限于材料回收重复利用因此解决含砷吸附剂的去向问题是未来吸附领域的研究方向参考文献:.():.:.:.():.李燚徐喆吕晋芳等.工业固体废物同步吸附废水中砷和氟的机理及研究概况.应用化工():.王楠楠王宁何世鼎等.废水中砷、锑污染物的去除方法研究进展.应用化工():.吉晓莉力国民王浩等.常压水热合成纳米氧化锆工艺研究.现代化工():.().:.().():.()().第 期肖方景等:纳米金属氧化物吸附剂除砷研究进展():.雷润龙.氧化镁复合吸附剂的制备及其除砷性能研究.武汉:中南民族大学./().:():.:.孙天一赵志伟时文歆等.磁性 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