鈦酸鹽納米材料去除水中污染物

目前，中國的水污染可分為有機(jī)污染和無機(jī)污染。有機(jī)污染物主要是有機(jī)物、多環(huán)芳烴和農(nóng)藥。目前，水中已檢測出2200多種有機(jī)化合物，部分有機(jī)化合物已被證明具有致癌、致畸、致突變作用。無機(jī)污染主要是重金屬離子造成的，如鉛(Pb)、汞(Hg)、鉻(Cr)、鎘(Cd)等無機(jī)物，可使人中毒生病。在污水處理過程中，傳統(tǒng)的水污染處理技術(shù)存在材料二次污染、使用壽命短、再生困難等突出問題。因此，高效、可持續(xù)的污水處理新材料成為世界范圍內(nèi)探索的焦點(diǎn)。

鈦酸鹽納米材料(TNM)是由具有共享邊緣的TiO6A多面體組成的結(jié)構(gòu)。TNM因其高比表面積、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和離子交換能力而受到廣泛關(guān)注，并在儲(chǔ)氫、鋰電池和光催化等一系列領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。作為光催化劑，TNM可以降解氨、堿性染料和化學(xué)戰(zhàn)劑。作為吸附劑，TNM能有效吸附有毒重金屬陽離子、有機(jī)金屬陰離子(如二十二烷酸根和辛二烷酸根)、有機(jī)污染物(如堿性染料等)。).

TNM不僅具有優(yōu)異的光催化和吸附性能，還具有良好的沉降性、易脫附性和環(huán)保性。本文詳細(xì)介紹了TNM在水污染治理中的應(yīng)用和發(fā)展，為TNM在水環(huán)境污染領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

首先，鈦酸鹽納米材料對(duì)水中污染物的去除效果

1.1鈦酸鹽納米材料作為吸附劑

有效去除水中的重金屬離子對(duì)保護(hù)環(huán)境和公眾健康非常重要。水熱法合成的TNM具有靈活的層間距、萊文離子交換容量、高比表面積和高密度。在表面上，TNM對(duì)各種水污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附效果。根據(jù)朱等的實(shí)驗(yàn)，具有吸附放射性陽離子的能力，有毒的放射性陽離子(Sr2+和Ba2+)可以通過離子交換永久捕獲在鈦酸鹽納米纖維中，從污染水中分離出來，陽離子從吸附劑中釋放出來。因此，TNM作為吸附劑不會(huì)造成二次污染。

根據(jù)鈦酸鹽材料與染料之間的離子交換機(jī)制或靜電力，TNM對(duì)不同的有機(jī)染料，如亞甲基藍(lán)、堿性綠5和堿性紫10表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能，主要是因?yàn)榧{米花的層狀納米結(jié)構(gòu)可以保持較高的表面積，并對(duì)水流提供必要的機(jī)械魯棒性，從而增強(qiáng)了TNM的吸附能力。

1.2鈦酸鹽納米材料作為催化劑

唐等將Ag+以納米尺度(~1nm)均勻分布在鈦酸鹽層間，形成鈦酸鹽復(fù)合薄膜光催化劑。鈦酸鹽薄膜在可見光下對(duì)甲基橙(MO)的降解具有光催化活性，在可見光照射160min后，MO可以完全降解。鈦酸鹽薄膜的高光催化活性歸因于Ag納米粒子的有效電子-空穴分離。樣品循環(huán)使用后仍具有良好的光催化活性，光催化性能的下降是由于催化劑在循環(huán)使用過程中的損失造成的。這表明TNM是一種穩(wěn)定的可見光光催化劑。

陳等發(fā)現(xiàn)TNT (60~70%)的光催化活性高于P25(53%)和原銳鈦礦型(37%)。H-鈦酸鹽和復(fù)合纖維(覆蓋有銳鈦礦納米晶體的鈦酸鹽納米纖維)也是在紫外光下降解和合成染料的高活性光催化劑。華等觀察到質(zhì)子化吸附的MB和RhB在紫外光照射下可有效降解，240min后去除率分別為99.9%和92.7%，表明對(duì)水中染料的去除具有較高的光催化活性和去除率。

二、鈦酸鹽納米材料去除水中污染物的影響因素

2.1準(zhǔn)備條件

TNM源于二氧化鈦納米粒子的堿性水熱處理，其形貌和性質(zhì)受到合成條件(包括溫度、反應(yīng)時(shí)間和堿液濃度)的強(qiáng)烈影響。

溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)TNM的結(jié)構(gòu)、形貌和吸附性能有重要影響。熱反應(yīng)中NaOH的濃度也會(huì)極大地影響TNM最終產(chǎn)物的形貌。NaOH濃度的變化會(huì)導(dǎo)致鈦酸鹽材料的三種不同形成機(jī)制，晶相會(huì)是TiO2和鈦酸鹽的混合相、單斜鈦酸鹽和非晶材料。TNM的形貌和晶相的不同會(huì)導(dǎo)致BET比表面積和孔容的不同，從而導(dǎo)致對(duì)重金屬離子的吸附行為不同。表面活性劑的加入會(huì)降低TNM的比表面積、孔徑和孔容，有效提高TNM的吸附性能。

2.2外部環(huán)境因素

外界環(huán)境如水溫、pH值、鈉離子含量、污染物濃度、共存離子等都會(huì)影響TNM的吸附性能。

溫度對(duì)合成TNM的形貌和性能也有一定的影響。隨著水熱處理溫度的升高，TNM的吸附量增加，這主要是由于形成了層狀鈦酸鹽材料，如納米管和納米棒。這些層狀鈦酸鹽在層間空間有大量的離子交換位，因此吸附能力增強(qiáng)。

pH會(huì)影響TNM的Zeta電位和重金屬離子的存在形態(tài)，進(jìn)而影響催化劑的表面負(fù)載、金屬形態(tài)和金屬電離度，進(jìn)而影響吸附容量和吸附機(jī)理。因此，pH是影響TNM吸附性能的最重要因素之一。TNT是一種帶負(fù)電的顆粒，pH值高于3，所以pH值高時(shí)更容易吸附帶正電的Cu(II)離子。

在實(shí)際污染水中，多種重金屬離子通常共存，共存的金屬離子對(duì)TNT吸附有協(xié)同作用。無機(jī)離子的存在大大增加了納米材料的水力直徑(Z平均尺寸)和ζ電位。一般來說，離子強(qiáng)度對(duì)TNM的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)通過Zeta電位的變化，改變TNT雙電層的結(jié)構(gòu)，

(2)減小水合離子的半徑，

(3)活性位點(diǎn)與金屬離子的競爭。

3.鈦酸鹽納米材料去除水中污染物的機(jī)理

3.1吸附機(jī)理

TNM的吸附機(jī)理主要包括離子交換、表面絡(luò)合、化學(xué)沉淀和靜電吸引。

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，TNM對(duì)陽離子的吸附機(jī)理主要是金屬陽離子與Na+在材料層間的交換，其交換容量與材料中Na+的量成正比。李等探索了硝酸活化的鈦酸鈉晶須對(duì)Pb(II)和Cu(II)的吸附和解吸行為，發(fā)現(xiàn)其機(jī)理可能是Pb(II)和Cu(II)與Na+交換形成穩(wěn)定的鈦酸金屬鹽。

劉等[HL]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，多層鈦酸鹽納米管(TNTs)對(duì)Cr(III)有很高的吸附能力，吸附量高達(dá)88.99 mg/g，當(dāng)Cr(III)和Cr(VI)共存時(shí)，TNTs在pH3~6范圍內(nèi)對(duì)Cr(III)和Cr(VI)的吸附有協(xié)同作用。當(dāng)PH=5為5，TNTs用量為0.6g/L時(shí)，與單元體系相比，Cr(III)的吸附量從56.3mg/g增加到82.1mg/g，Cr(VI)的吸附量從0增加到9.8mg/g。因此，Cr(III)的吸附量與TNTs中Na+的含量呈線性關(guān)系。而雙層吸附只有在Cr(III)和Cr(VI)共存時(shí)才會(huì)發(fā)生，Cr(III)和Cr(VI)首先聚集形成離子團(tuán)簇，然后Cr(III)-O-Cr (VI)被吸附在TNTs上的Cr(III)橋接。

TNM對(duì)金屬陰離子(As(III)、As(V)等)的吸附機(jī)理。)不同于陽離子，吸附機(jī)理主要是內(nèi)表面絡(luò)合。對(duì)于有毒重金屬離子，TNM比其他常用吸附劑具有更強(qiáng)的吸附性能，TNM經(jīng)過簡單處理后可以有效重復(fù)使用。吸附過程結(jié)束后，易于與水溶液分離，水中排出的氫離子對(duì)環(huán)境無害，表明TNM在重金屬污染廢水處理領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

3.2催化機(jī)制

光催化過程一般包括以下幾個(gè)步驟:光照下e-/h+的分離、染料吸附、氧化還原反應(yīng)和產(chǎn)物的脫附。據(jù)黃等報(bào)道，TNF、TNT和對(duì)染料的飽和吸附量分別為4.6e-mol/g、2.5e-4mol/g和1.7e-5mol/g。

顯然，TNF的高吸附量有利于光催化活性，因?yàn)槿玖戏肿颖仨毾任皆谖絼┍砻?，然后再分解。此外，TNF具有高表面積和其表面上高密度的功能性輕基團(tuán)。因此，TNF有更多的活性位點(diǎn)來吸附更多的分子O2、水和染料分子。被吸附的分子O2可以有效地捕獲光生電子，形成活性氧物種，從而提高光催化活性。較高的表面積和較小的顆粒尺寸可以減少體電荷載流子的復(fù)合，并確保e-/h+逃逸到表面。導(dǎo)致更高光催化活性的第三個(gè)因素是更小的帶隙。TNF、TNT和TNW的帶隙分別為3.50eV、3.57eV和3.73eV。更小的帶隙意味著吸附劑可以吸收更高波長的光，因此它更具光電性。

在光催化的末期，回收光催化劑是非常重要的。通過沉降顆?？梢詫?shí)現(xiàn)低成本的催化劑分離過程。Saliby等人研究了TNM的沉降，發(fā)現(xiàn)沉降30分鐘后濁度去除率可達(dá)80%左右，沉降2小時(shí)后去除率提高到90%。TNM的快速沉降是其應(yīng)用于廢水光催化的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

三。結(jié)論。

TNM作為一種新型納米材料，具有吸附容量高、沉降性能好、脫附速率快、再生能力強(qiáng)、合成容易、價(jià)格低廉、來源廣泛等特點(diǎn)。它是一種良好的重金屬吸附材料，在水環(huán)境污染領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

TNM的主要研究方向是光催化和吸附。TNM因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)、較大的層間距、可調(diào)的晶格參數(shù)和較強(qiáng)的離子交換能力，可以作為一種高效的吸附劑。由于它們的寬禁帶(3.4~3.7eV)和優(yōu)異的光學(xué)性能，它們具有很高的光催化活性。

對(duì)TNM進(jìn)行了一些研究，但大多數(shù)仍是實(shí)驗(yàn)室研究。如果需要產(chǎn)業(yè)化并在工程上大規(guī)模應(yīng)用，需要開展以下工作:

(1)現(xiàn)在的重金屬污染(如Pb(II)、Cd(II)、Cr(IV)、Hg(II)、Ni(II)等。)越來越嚴(yán)重了。多種重金屬離子共存，需要研究不同金屬離子的競爭以及常見無機(jī)離子對(duì)吸附的影響。因此，多金屬體系在實(shí)際環(huán)境中的模擬類似于重金屬廢水，這使得研究具有更深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)大多數(shù)研究都是以晶態(tài)TiO2為前驅(qū)體材料制備TNM，這使得TNM合成法的重現(xiàn)性高度依賴于TiO2原料，而TiO2較窄的帶隙限制了387nm以下紫外光的電子和空穴的產(chǎn)生。因此，合成具有更寬光吸收和更低電荷復(fù)合率的TiO2基材料將是開發(fā)更高效光活性材料的重要一步，從而提高TNM的光催化活性，拓展其在水處理等環(huán)境污染領(lǐng)域的應(yīng)用。

(3)目前TNM的制備是基于水熱處理，其吸附量隨著水熱處理溫度的升高而增加。但在實(shí)際應(yīng)用中，提高溫度會(huì)增加成本。因此，有必要研究提高常溫處理效率的方法。(來源:福州大學(xué)土木工程學(xué)院福建閩科環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的，并不意味贊成其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容真實(shí)性。轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題，請(qǐng)立即聯(lián)系網(wǎng)站編輯，我們會(huì)予以更改或刪除相關(guān)文章，保證您的權(quán)利。
標(biāo)簽:  鈦酸鹽納米材料去除水中污染物