面向深度水处理的新型纳米复合材料研制与应用

北极星环保网讯:水中无机污染物如重金属、砷、磷、氟等一般以离子态存在，可通过混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺实现初步去除，但往往难以满足水质安全与提标减排的新要求。吸附分离是实现离子型污染物深度去除的基本途径。

无论在天然水或废水中，除目标离子污染物外，还通常存在大量的Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO42-、Cl-等常规离子以及有机质。这些共存物质浓度往往比目标污染物离子高出2～4个数量级，对目标污染物离子的吸附去除有显著的抑制作用。非选择性的深度处理必然带来高昂的成本。开发高效去除水中离子型污染物的技术至关重要。其中，如何在大量共存物质干扰的情况下选择性去除目标污染物成为此类技术的关键。

环境纳米技术的优势与挑战

纳米材料与纳米技术的发展为其在水污染控制领域的应用广阔前景。众多纳米颗粒具有较高的比表面积和较强的纳米表面效应，对污染高效吸附分离性能突出，如水合氧化铁（HFO）、水合氧化锰（HMO）、金属磷酸盐等纳米颗粒等都具有针对某种或某类离子的选择性吸附作用。

遗憾的是，纳米颗粒应用于实际水与废水工程化处理时面临诸多技术瓶颈，例如纳米颗粒易团聚失活、易流失、潜在二次风险、操作与分离困难等。总体而言，目前水处理纳米技术的研究总体停留在实验室水平，鲜有工程化应用报道。

毫米级环境纳米复合材料的研制与应用性能

南京大学潘丙才教授课题组在长期从事高分子树脂吸附法处理污废水研究的基础上，开发成功系列可规模化应用的毫米级环境纳米复合材料。该类纳米复合材料以球形纳米孔交联聚苯乙烯为骨架，粒径通常在0.6~1.0mm，骨架表面带有带电功能基团，常用磺酸基（-SO3-）或季铵基（-N+R3）；在载体孔内通过原位生长制备对污染物具有高效净化性能的纳米颗粒。

这些纳米颗粒一般含Fe、Zr、Mn等元素，粒径2~50nm。交联聚苯乙烯载体具有特殊的网孔结构，可通过网孔限域效应实现纳米颗粒的高效稳定化与固定化，解决了纳米颗粒易团聚失活、易流失的技术瓶颈；同时，大颗粒球形载体机械强度高、流体力学性能优异，有助于解决纳米颗粒操作与分离困难的技术障碍，并可实现材料的长期稳定运行。

载体表面化学键联的带电功能基可通过Donnan效应推动微量离子型污染物的相内富集与快速扩散，从而实现快速深度净化，提升了复合材料工程应用的经济性。另外，通过结构调控，相关材料可通过尺寸排阻效应和Donnan效应大幅提高抗有机污染的性能。围绕纳米复合材料去除水中离子型污染物的研究，课题组在IWA期刊WaterResearch上发表多篇研究论文，为相关污染物的深度处理与水资源回用提供了参考。

▲纳米复合材料结构示意图

▲载水合氧化铁(HFO)聚合阴离子/阳离子交换材料对阴离子作用示意图

HFO-001纳米复合材料除重金属

▲HFO-001纳米复合材料结构示意图与TEM图片

HFO-001纳米复合材料通过将纳米水合氧化铁(HFO)颗粒固定于磺化聚苯乙烯载体D001内制得。得益于纳米HFO对重金属离子的专属吸附作用，HFO-001在Ca2+共存时去除Pb、Cd、Cu的性能明显优于阳离子交换树脂，柱吸附结果表明其固定床工作容量为后者的4～6倍。吸附穿透后可通过HCl-NaCl溶液对复合材料进行脱附再生。并且，通过将HFO固载于纳米孔载体内提高了其抗酸能力，扩展了工作pH范围。

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