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利用纳米材料去除水中典型金属离子技术
摘 要：针对国内水污染情况的复杂性，实验室制成新型高分子聚合物材料，并通过对其分子结构和性能参数的测定，开展这种材料对水中污染物去除机理的分析，着重分析和评估这种纳米材料去除水中重金属离子的机理和不同水环境条件对其去污能力的影响，为纳米材料在水中污染物深度处理的实际应用和推广提供重要的参考依据。
关键词：纳米材料；水处理；重金属离子
近年来，伴随着我国经济建设的飞速发展，饮用水源的污染问题也日益突出，加剧了我国水资源短缺的状况。而国内生活小区内常规水处理工艺的局限性，不仅无法彻底有效地去除各种污染物质，而且在处理的过程中可能产生致癌、致突变等对人体有害的副产物，使人们的健康面临着严重的威胁。因此寻找一种切实有效的高效净水材料，并以此为基础设计一套饮用水深度处理的工艺技术，就成为我国环境工程研究者一项迫在眉睫的任务。
目前，纳米技术已经广泛地应用于材料、计算机、光学、医药和化工等众多领域，但在环境工程及大气污染控制领域中的应用研究来看，我国与国际先进国家相比，无论从作用机理的理论分析，还是纳米技术的应用开发方面，都还存在着相当大的差距。再加上我国水源的污染状况远较国外复杂，这就更加突出了利用纳米技术用于我国水污染控制研究的紧迫性。在这其中，对新型纳米净水材料的机理和应用研究成为今后研究领域中的一个重要发展方向。纳米净水材料的实验室制备
1.1 药剂制备
根据研究目标的要求，本实验采用对环糊精进行甲苯磺酰化，制备出6位碳伯羟基处取代的β-CD单对甲苯磺酸酯（β-CD-6-OTs）作为药剂处理目标水。
1.2 β-CD-6-OTs的合成
β-环糊精使用前用蒸馏水重结晶两次，真空干燥；吡啶加入适量的粒状KOH干燥数日，使用前蒸馏收集114℃馏分；其它试剂为分析纯试剂。
在装有带无水CaCl2干燥管的冷凝管、恒压漏斗、机械搅拌器的250mL三口烧瓶中加入8.33g的β-CD和100mL吡啶，微热溶解后冷却，于室温下继续搅拌1h，在恒压漏斗中加入80mL吡啶和1g对甲苯磺酰氯配成的溶液，继续搅拌反应过夜后，40℃真空旋转蒸发溶剂，固体用200mL的乙醚洗涤，抽滤，经3次重结晶后得到白色粉末产品β-CD-6-OTs，即纳米净水材料晶体。纳米净水材料性能参数测试
2.1 利用X射线衍射分析测定样品的晶相结构。通过实验室制备得到的纳米吸附材料XRD谱图基线平稳，各衍射峰尖而窄，无杂峰存在，说明样品纯度和结晶度高。
2.2 BET测试结果如表1所示。
从表1可以看出，这种吸附材料的吸附容量很大，远远超过传统的活性炭、活化沸石等吸附剂，对于去除水中微量有机或无机杂质极为有利。纳米材料对水中典型重金属离子去除效率的研究
3.1 汞离子的处理效率及影响因素研究
3.1.1 pH值对去除率的影响
在pH9时，去除率开始下降影响不大。pH值为7时，纳米吸附材料的最高去除率可达95.9%。
3.1.2 吸附时间对去除率的影响
在汞离子的浓度、pH值一定的情况下，去除率随着吸附时间的增加而升高，在240min时吸附达到平衡，去除率可达97.1%，继续延长吸附时间去除率变化不大，因此，在汞离子去除实验中选择最佳吸附时间为240min。
3.1.3 吸附剂的用量对去除率的影响
在汞离子的浓度、pH值一定的情况下，在吸附剂的添加量为0.5mg时吸附就已经达到了平衡，去除率可达97.1%，继续添加吸附剂的用量去除率基本无增加，其实际应用意义也不大。因此，在汞离子去除的实验中选择纳米吸附剂的最佳添加量为0.5mg。
3.2 砷离子的处理效率及影响因素研究
3.2.1 pH值对去除率的影响
在pH4时，pH值对去除率影响不大。pH值为2时，改性滤料去除率可达82.08%。
3.2.2 吸附时间对去除率的影响
在As（Ⅴ）离子的浓度，pH值一定的情况下，去除率随着吸附时间的增加而升高，在240min时吸附达到平衡，去除率可达95.96%，继续延长吸附时间去除率变化不大，因此，在As（Ⅴ）离子去除实验中选择最佳吸附时间为240min。
3.2.3 滤料的用量对去除率的影响
在As（Ⅴ）离子的浓度，pH值一定的情况下，去除率随着改性滤料的增加而升高，由10.23%变化为97.012%。在改性滤料的添加量为2g时吸附达到平衡，去除率可达95.96%，继续添加改性滤料去除率变化不大，因此，在As（Ⅴ）离子去除实验中选择改性滤料的最佳添加量为2g。
通过对铜、铅、镉、铬等金属离子的原水进行纳米材料的静态吸附实验的研究以及对各种影响因素的分析，得出以下结论：（1）pH=5，Cu2+为6mg/L，纳米材料的添加量为2g，吸附时间为120min时，纳米材料对Cu2+的去除率可达到95.29%。（2）在Pb2+的浓度为2mg/L，pH值为7，吸附时间为120min时，纳米材料的添加量为2g时对Pb2+去除率可达96.75%。（3）在Cd2+的浓度为2mg/L，pH值为7，吸附时间为120min时，纳米材料的添加量为2g时对Cd2+去除率可达96.73%。（4）在Cr6+的浓度为50mg/L，纳米材料的添加量为2g时对Cr6+去除率可达96.3%。结束语
通过试验证明纳米材料能在分子结构中形成海绵状、具有纳米级尺度的微孔，从而能够高效地吸收和截留水中的一些用常规净水工艺和材料很难或无法降解的污染物质如微量砷、汞等重金属离子。通过纳米材料的静态吸附实验证明，纳米材料对水中微量汞等重金属盐的去除效率均可达到95%以上。研究为纳米材料在工业废水、生活饮用水中存在的典型重金属离子深度处理的实际应用和推广提供重要的参考依据。
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