碳纳米管在饮用水处理领域的应用前景.pdf

碳纳米管在饮用水处理领域的应用前景丁晗、李欣、汪隽、陈超、张晓健清华大学环境学院饮用水安全教研所北京100084 摘要:碳纳米管是一种性能优良的新型材料,在世界范围内得到了广泛的研究和应用。由于碳纳米管优良的吸附性能,在饮用水处理领域有很大的应用潜力。对碳纳米管的吸附性能和机理进行了介绍,对其在实际应用中的困难进行了说明,分析了其在水处理领域的应用前景。关键词:碳纳米管;饮用水处理;吸附 1碳纳米管简介 1991年,1Uima在电弧蒸发法所使用的阴极棒的末端观察到了长度为微米级、直径为纳米级的针状中空管【1],这就是近年来得到广泛关注的碳纳米管。碳纳米管是由石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,主要由碳六边形组成,弯曲部位则由五边形或七边形碳环所构成。碳纳米管的管径在几纳米到几十纳米之间,长度为微米量级。根据其管壁层数的不同,分为单壁和多壁两种类型。单壁碳纳米管的理论比表面积可达到3000衅儋,但由于其两端闭合且容易团聚,导致实际测得的比表面积通常只有100-300 m2幢,增强其在水中的分散效果或使用氧化剂破坏其两端的封闭性能够有效提高其比表面积吲。自从碳纳米管被发现以来,。由于其独特的物理、化学性质,已经在特殊材料、生物医药、催化剂载体、能源储存、量子计算机、分子开关及环境保护等领域得到了广泛的应用。在 2005年,世界范围内投入到碳纳米管研究领域的资金已经达到96亿美元ljj。碳纳米管在饮用水处理方面,主要是作为吸附剂对水体中的重金属和疏水性有机化合物进行吸附。由于碳纳米管主要是在管层外表面吸附污染物,不同于活性炭在吸附时需要污染物在内部的孔隙中进行扩散,碳纳米管能够更快地达到吸附平衡。碳纳米管表面含有大量兀键,能够与某些含有不饱和C=,从而增强对这些有机分子的吸附能力。碳纳米管具有很好的再生性能,Wu等人141研制出了一种碳纳米管海绵,具有极强的吸附污染物的能力,在吸附饱和之后进行挤压将污染物排出即可重新使用。 2碳纳米管吸附特性及吸附机理 ,单壁纳米管的吸附能力要优于多壁碳纳米管。碳纳米管经过氧化剂处理后,其吸附金属离子的能力显著增加。碳纳米管吸附金属离子的机理主要分为静电引力、吸附沉积和化学键合作用三个方面,其中化学键合作用起主要作用。 ,. 物的吸附速率快,吸附能力强,有效吸附的pH范围较广。碳纳米管对有机物的吸附作用机理主要是疏水作用,但是进一步的研究表明碳纳米管与有机物之间的吸附亲和力并不与有机物的疏水性呈简单的线性关系,其他的吸附机理包括兀-兀键耦合作用、静电作用和氢键作用[51。Ⅱ讯键耦合作用主要发生在碳纳米管吸附带有C=C双键及苯环的有机分子时,静电作用发生在表面带电荷的碳纳米管和可电离的有机分子之间,氢键作用则主要是有碳纳米管表面的亲水基团与水分子之间形成的氢键所引起。多种吸附机理可能共存于碳纳米管对有机物的吸附过程中,需要结合具体情况来分析。 3碳纳米管吸附的影响因素 ,但对金属离子的吸附影响不大。碳纳米管的吸