面向深度水处理的新型纳米复合材料研制与应用

HFO-201纳米复合材料除磷

▲HFO-201纳米复合材料及其载体D-201外观

磷是水体富营养化的限制营养素，传统处理技术（如化学沉淀、生物法）很难实现深度除磷。纳米复合材料HFO-201充分发挥了纳米HFO对磷酸根离子的内层配位专属吸附和载体季铵基–N(CH3)3+带来的Donnan膜效应，可将水体中的磷从2mg/L降低到0.01mg/L以下。

HFO-201除磷最适pH范围为6.5~8.0，用于生化尾水处理时无需调节pH。柱吸附结果表明HFO-201工作容量约为D-201的4倍，达到容量后通过少量NaOH-NaCl溶液即可实现98%以上的脱附再生。

▲D201、ArsenXnp和HFO-201在SO42-共存时除磷性能对比

LALDH-201纳米复合材料除氟

氟是一种必需微量元素，但过量氟的摄入会导致氟中毒。该团队研制出了一种基于Li/Al层状双金属化合物（LALDH）的新型纳米复合材料LALDH-201。纳米LALDH经固定化后适用pH范围由4～10扩大到3.5～12，解决了LDH稳定性差、难以碱性再生的问题。

LALDH-201的除氟能力显著优于活性氧化铝。将LALDH-201填充柱用于处理云南某地的含氟地下水，LALDH-201的有效处理量是阴离子交换树脂D201的10倍左右。NaOH/NaCl混合溶液对LALDH-201再生效果良好，循环5轮后工作容量无降低。以上研究表明LALDH-201纳米复合材料深度除氟具有良好的应用前景。

▲纳米复合材料LALDH-201结构及其除氟与再生示意图

N-S-ZVI纳米复合材料除As(III)

水中的砷污染可导致严重的健康问题，As(III)的毒性是As(V)的25～60倍。纳米零价铁（nZVI）因其较大的比表面积和较高的反应活性已经成为环境修复中一类重要还原剂。课题组制备出基于纳米零价铁(ZVI)的复合材料N-S-ZVI，在N-S-ZVI纳米孔内，As(III)在ZVI/O2体系的作用下被氧化为带负电的As(V)，使载体的–N(CH3)3+基团对As也具有了吸附能力，扩大了纳米复合材料对As的吸附量，同时，ZVI纳米颗粒表面形成的Fe氧化物可提供更多的专属性吸附位点。N-S-ZVI对As(III)和As(V)的吸附容量分别为121mg/g和125mg/g，相比多种吸附剂具有明显的优势。常规离子Cl-、NO3-、SO42-对N-S-ZVI除As(III)无明显影响。

▲纳米复合材料N-S-ZVI除As(III)示意图

纳米复合材料的量产与应用

目前，已有多种纳米复合材料已实现规模化生产，基于相关纳米复合材料的污废水深度处理与资源回用集成技术也已得到了开发与推广应用，为电子电镀废水、冶炼废水、制革废水等行业废水的提标减排提供了技术支撑。

▲不同纳米复合材料的外观（左上）、纳米复合材料样品（右上）、规模化量产的纳米复合材料（左下）和基于纳米复合材料的固定床水处理工程装置（右下）

总结与展望

上述研究以纳米孔交联聚苯乙烯为载体，开发成功系列纳米复合材料，实现了水中离子型污染物的高效去除。目前已有多种纳米复合材料实现规模化生产，基于相关纳米复合材料的污废水深度处理与资源回用集成技术也已得到了开发与推广应用。

纳米技术是未来水污染深度处理技术的重要发展方向，但环境纳米材料种类与功能多样，受污染水组成复杂、处理目标不一，如何实现纳米材料与纳米技术从实验室研究走向工程化应用仍然任重道远。

为实现这一目标，围绕实用型环境纳米复合材料的研制与结构调控、材料净化污染物的特性与过程、纳米处理单元的开发及与现有水处理工艺的高效集成等方向仍需开展深入系统的研究；同时，为提高环境纳米技术的科研水平，开展与纳米材料与纳米技术、表面分析、数学建模等方向的多学科交叉研究显得尤为必要。

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