磁性纳米材料在废水处理中的应用和改性设计研究进展.docx

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1、磁件材料及器件2012年12月71磁性纳米材料在废水处理中的应用及其改性研究进展杨瑞洪扬州工业职业技术学院化学工程系，江苏省生态环境治理与生物技术应用研发中心，江苏扬州225127摘要：磁性纳米材料作为一种新型吸附剂，其研究与应用越来越广泛。综述了各类磁性纳米材料在废水处理中的应用及其改性研究进展。最后分析了该材料在废水处理应用及研究中有待解决的问题，并展望了该技术的开展趋势。关键词：磁性纳米材料；废水处理；吸附剂；改性中图分类号：TB383；X703文献标识码：A文章编号：1001-3830(2012)06-007IQResearchprogressintheapplicationsandm

2、odificationofnanometermagneticmaterialsforwastewatertreatmentYANGRui-hongDepartmentofChemicalEngineering,ResearchCenterofEcologicalEnvironmentManagementandApplicationofBiotechnologyofJiangsuProvince,YangzhouPolytechnicInstitute,Yangzhou225127,ChinaAbstract：Asanewadsorbent,nanometermagneticmaterialsh

3、aveattractedmoreandnoreresearchandfoundwideapplications.Thisarticlegivesanoverviewoftheuseandmodificationofdifferentkindsofnanometermagneticmaterialsinwastewatertreatment.Finallyproblemstobesolvedinnanometermagneticmaterialsinwastewatertreatmentwereanalyzed,andtheprospectof(hetechnologywasgiven.Keyw

4、ords：nanometermagneticmaterial;wastewatertreatment;adsorbent;modication1引言近年来，随着现代工业的快速开展，大量未经处理或处理后未达标的污水直接排放，导致水质严重恶化，水质问题日益突出，而传统的水处理工艺随着时间的推移逐渐显现出了弊端，如效率低、能耗高、会产生二次污染等。因此，水处理技术急需快速开展。随着科学技术的进步，水处理技术新发展已不仅仅是处理工艺技术方面的革新，目前新材料的研究已不断深入，应用也日益广泛氏2。在众多的水处理应用材料中，磁性纳米材料作为尖端材料的代表，以其优越的性能、独特的优势，受到研究者的青睐。磁性

5、纳米材料是一种新型的吸收稿日期：2012-05-18修回日期：2012-08-21通讯杨瑞洪E-mail:rhyang123126附材料，既具有高吸附性能（比外表积大），又具有超强磁别离性能，在外磁场的作用下易从废水中别离，并易于吸附质脱附，吸附效率也不会明显减弱。与传统吸附剂相比，磁性纳米材料吸附速度更快，吸附效率更高，制备成本低，脱附过程简单，可循环使用，且对环境的影响小，外表带有功能基团修饰的磁性纳米颗粒在废水处理中具有独特的优点，因此，在废水处理领域的应用已受到越来越多的关注3,4目前应用较广泛的磁性纳米材料有Fe3（以纳米颗粒和磁赤铁矿（-Fe2a）纳米颗粒等。2磁性纳米材料在废水处

6、理中的应用磁性纳米材料能高效去除废水中的难降解物质和重金属等，并被公认为是未来污水处理中最理想的新型吸附材料，目前越来越多的科研人员将其应用于污水处理实验研究和工程实践，下文重点介72JMagnMaterDevicesVol43No6绍几种目前研究较多的磁性纳米材料在废水处理中的应用。2.1 磁性Fe3Ch颗粒在废水处理中的应用Fe34作为一种具有磁性的功能材料，已获得广泛的应用，而Fe3d颗粒的纳米化，使其表现出更为强大的应用功能，因此，有关纳米Fe34的研究越来越多。纳米Fe3d磁性颗粒以其显著的磁性能、外表效应等，在磁性流体、生物靶向材料、高梯度磁性别离器、微波吸收材料、静电复印显影剂等

7、领域具有广泛的应用前景。另外，制备Fe34的原材料来源广泛，价廉，制作工艺简便，因而纳米Fe34磁性粒子很快成为纳米材料领域和功能材料领域研究的前沿和热点。Ngomsik等人5,6】首次用Fe3磁性颗粒处理废水中的类金属元素种，研究发现，当Fe34纳米颗粒粒径从30Onm减小到12nm时，废水中的三价种和五价种的去除效果明显增强，说明磁性纳米材料的吸附性能与粒径有关，粒径越小，吸附性能越高。成翠兰等尝试用纳米Fe34作为吸附剂，采用静态吸附的方法处理水中的Hg离子，实验结果说明，纳米Fe34颗粒吸附效果与其本身的性质，如粒径、用量以及溶液的液相性质，如PH值、温度等关系密切。纳米Fe34颗粒对

8、水中Hg2+的吸附去除率随其用量的增加、粒径的减小而增大，最大吸附率可达97%,吸附平衡后，清液中汞离子的浓度已接近国家安全排放的标准。研究人员还将人工合成的不同粒径大小的Fe3d磁性纳米颗粒应用于处理含锲、铜、铝和镉离子的废水，实验发现Fe34纳米颗粒的吸附效率与颗粒的外表积、废水的PH以及温度有关，吸附效率随着粒径的减小（外表积的增大）而增大，当平均粒径为8nm的Fe34纳米颗粒在PH=4、温度20时对废水中的珞、镉、铜、银等四种重金属离子吸附效率最大，此时Fes4吸附量为35.46mgg,几乎是粒径为12nm的颗粒吸附量的7倍左右，而银、铜、镉、珞去除量分别为41.86mgL,47.44

9、mgL,45.86mgL,43.59mgL,由此可见粒径小于Ionm的磁性Fe34纳米颗粒是一种高效的去除和回收废水中重金属离子的新型吸附材料。2.2 磁赤铁矿纳米颗粒在废水处理中的应用六价珞在废水中通常以Cro42-,C2O72-形式存在。碱赤铁矿（Y-Fe2。3）纳米颗粒作为一种人工合成的吸附剂，不仅制备成本低，而且还具有高吸附能力及较强的磁别离性能，且再生后的吸附效率也不会减弱，可用来吸附处理含珞废水。研究说明，影响吸附效率的因素有pH、温度、格的初始浓度，以及溶液中其它共存离子。实验发现吸附效率与溶液的PH具有较大的关系，pH=2.5为最正确吸附环境，此时的吸附量最多；通过研究溶液中其

10、它共存离子如钠、镁、铜、银、硝酸根离子以及氯离子对珞吸附影响的比照实验发现，溶液中珞的吸附效率不受这些离子的影响，说明磁赤铁矿对废水中铭的吸附具有较强的选择性，吸附到达平衡的时间为15min,而且平衡反响进程与铭的浓度无关。再生研究说明，磁赤铁矿能有效回收利用并用于再吸附过程中，磁赤铁矿纳米颗粒在废水中经过连续六次的吸附-解吸附循环过程，磁赤铁矿纳米颗粒的吸附性能不受影响。吸附剂用0.0ImoW的氢氧化钠溶液通过解吸附作用释放吸附的六价络，研究发现，氢氧化钠对铝的解吸附效率超过90%,再用去离子水进展洗涤回收利用。HU等人19,成功地将磁赤铁矿应用于去除和回收废水中的六价辂，研究发现用磁赤铁矿

11、纳米颗粒处理废水中的格比用其他吸附剂如活性炭处理效果要好。2.3 壳聚糖磁性纳米颗粒在废水处理中的应用壳聚糖作为一种新型的吸附剂能有效地吸附废水中的重金属，但是由于自身无磁性，因此在吸附有机物之后，很难从废水中得到别离，而经磁化作用后的壳聚糖磁性纳米颗粒那么能在外磁场的作用下轻易的从废水中得到别离。磁性壳聚糖主要通过吸附、絮凝、整合、离子交换、孔道阻碍、磁性作用、再生作用来去除水中污染物质众所周知，造纸废水成分复杂，含有机物、纤维等，而且废水中的亲水物质与水以氢键紧紧相连，因此很难处理。朱开梅等将壳聚糖磁性纳米颗粒与造纸废水按照一定的配比进展脱色处理，实验结果说明，最正确工艺条件为：废水的pH

12、=6.09.0；空气流量5.0Lmin;纳米颗粒与废水质量比为0.0014：1；反响时间4.0h0在该实验条件下化学需氧量（CoD）的去除率可达85%以上。有研究用壳聚糖磁性纳米颗粒处理造纸废水，发现在中性条件下水中CoD的去除率达85%以上，而且所使用的材料与废水的重量比仅为14x10-3,不仅成本低，而且处理效果好。壳聚糖对蛋白质、淀粉有很强的生物亲和性。目磁性材料及器件2012年12月73前壳聚糖磁性纳米颗粒在废水处理领域的应用与原壳聚糖技术相比已有很多改进，改进后工艺可以方便地回收所需要的物质，处理效率大大提高，并且不会产生二次污染。董海丽等尝试用磁性壳聚糖处理大豆乳清废水，实验结果说

13、明，磁性壳聚糖颗粒可去除食品废水中的蛋白质，而且易于别离和再生。最正确工艺条件为：磁性壳聚糖颗粒投入量25gL,反应时间Imin,温度为30,pH=5,在此条件下，大豆乳清废水中蛋白质去除率最高达95.6%。Mckay等研究利用壳聚糖磁性纳米颗粒处理印染废水，结果说明壳聚糖时许多类型的染料具有很强的亲和力。韩德艳等用壳聚糖磁性纳米颗粒处理酸性偶氮染料废水，结果说明对于一定浓度的甲基橙溶液，利用壳聚糖磁性纳米颗粒处理Ih去除率即可达95%以上，比用活性炭处理8h的去除率还高出7%；当PH为3时，用磁性纳米颗粒处理浓度为250mg/L的废水具有最高的吸附量和吸附率。显而易见，与传统的吸附剂相比吸附

14、效率大大提高。而且，研究还发现，重复使用后的壳聚糖磁性纳米仍具有较强的吸附能力，重更使用3次，对甲基橙的去除率仍保持在95.8%以上，可见，壳聚糖磁性纳米颗粒在处理印染废水方面具有较强的应用前景。3磁性纳米材料的改性纳米材料外表改性，又称为纳米颗粒外表修饰，就是用物理化学方法对纳米颗粒进展新的加工，使纳米微粒外表特性发生改变，从而赋予纳米颗粒新的性能，并使其物性（如粒度、流动性、电气特性等）得到进一步的改善，实现人们对纳米微粒外表的控制【电。纳米粒子经外表改性后，其吸附、润湿、分散等一系列外表性质都将发生变化，从而有利于颗粒保存、运输及使用。纳米粒子通过外表修饰，可以保护纳米粒子，粒子的分散性

15、得到改善，粒子的外表活性得到提高，改变纳米粒子表面状态可以获得新的性能，并且可以提高纳米粒子与分散介质之间的相容性20。纳米材料改性方法分为外表物理修饰和外表化学修饰，按工艺分为外表包覆修饰、局部化学修饰、机械化学修饰、微胶囊修饰、高能量外表修饰及沉淀反响外表修饰。作为纳米微粒外表修饰的外表修饰剂主要分为5大类，即偶联剂、超分散剂、外表吸附剂、有机聚合物及不饱和有机酸。常用的偶联剂是钛偶联剂，钛偶联剂修饰纳米微粒的作用机理是钛脂酸偶联剂中的烷氧基与纳米微粒外表形成化学结合，最终在无机物和有机物界面之间形成有机活性单分子层。它像桥梁一样，一端与无机物外表上的游离质子反响，生成结实的化学键，另一端

16、可与有机物发生交联反响或通过范德华力产生缠绕作用，使有机物与无机物成为一个有机结合整体。周春姣22以价格低廉且环境友好的铁盐和腐植酸为原料，采用改性共沉淀法合成了腐植酸修饰的超顺磁Fe3d纳米颗粒。经腐植酸修饰的Fe34纳米颗粒吸附5min,亚甲基蓝的去除率就可达96%,吸附30min去除率高达99%,吸附2h,99.9%的亚甲基蓝都被去除了。并且发现腐植酸修饰的超顺磁Fe3(纳米颗粒对亚甲基蓝吸附速率和吸附容量都远远大于纯Fe34纳米颗粒。陈显利等倒利用等离子体有机聚合法和化学植入法对Fe34纳米颗粒进展外表修饰，制备出麦秸杆纤维素自组装和聚醋酸乙烯酯(PVA)覆膜两种磁种材料。经X射线衍射

17、、透射电镜微观组织分析和红外光谱分析，发现具有吸附功能的活性基团和磁性颗粒能结合很好。改性后纳米磁种颗粒对水中阴阳离子和有机物的吸附率均在90%以上。并且可以满足超导磁别离水处理的要求。Ngomsik等人成功地用-酮戊二酸改性壳聚糖磁性纳米颗粒吸附废水中的铜离子，分析说明，改性后的纳米颗粒具有超顺磁性，因此在吸附效率和磁别离性能方面明显提高，研究发现影响铜离子吸附的主要因素为溶液pH、接触时间、吸附剂浓度以及溶液初始浓度，在Ih内吸附过程到达平衡且在2min内吸附50%的铜离子。最大吸附量为96.15mgg,比其他磁性吸附剂吸附量高，与未改性的相比，改性的壳聚糖磁性纳米颗粒对铜离子的吸附效率明

18、显增强。李海波等例将磁性壳聚糖经氯乙酸陵甲基化、二乙烯三胺胺化，改性后磁性壳聚糖外表存在大量孔隙，颗粒平均粒径为230m0与改性前相比，不仅没有降低磁别离再生能力，而且吸附能力和化学吸附容量都得到改善。改性后磁性壳聚糖对多种金属离子去除率都有所提高。随着PH值的改变，可将200mgL的铜锌铭三元离子溶液成功别离。4结论及展望磁性纳米材料，作为一种新型吸附剂，与传统74JMagnMaterDevicesVol43No6的吸附剂相比，它最大的优势在于具有磁性，可以通过磁别离技术从废水中得到有效别离，不仅能高效去除废水中的杂质，而且成本低，操作简便。然而目前存在的问题在于并不是所有的污染物都可以通过

19、吸附作用得到去除，而且磁性纳米材料开展时间较短，纳米材料的种类不是很多。若何制备出粒度更均匀、成本更低的颗粒是今后的主要开展方向，此外，若何进展无毒、无不安全性地大规模生产也是急需解决的问题。参考文献：彭位华，桂和荣.国内铁氧体法处理重金属废水应用现状U.水处理技术,2010,36(5)：22-27.苑宝玲，王洪杰.水处理新技术原理与应用M.北京：化学工业出版社，2006,38-45.陈显利，焦雨红，张浩，等.超导磁别离在造纸厂污水净化中的应用J.科技导报，2009,27(3)：61-66.4邓勇辉，汪长春，杨武利，等.磁性聚合物微球研究进展J.高分子通报，2006,1(6)：27-36.(5

20、 HanDY,XieCS.DecolorofmethylorangewastewaterbyironchitosanmagneticmicrospheresJ.JHubeiNormalUniv(NatSci),2006,26(1):19-21(6 NgomsikAF,BeeA,SiaugueJM,elal.NickeladsorptionbymagneticalginatemicrocapsulescontaininganextractantJ.WaterRes,2006.40(9):1848-1856.成翠兰，毋伟，沈淑玲，等.纳米四氧化三铁吸附水中汞离子的研究J北京化工大学学报(自然科学版

21、)，2008,35(3)：5-8.8 WanSR,HuangJS,YanHS,etal.Size-controlledpreparationofmagnetitenanoparticlesinthepresenceofgraftcopolymersJ.JMaterChem.2006,16：298-303.9 HuJ,ChenGH,Lo-IreneMC.RemovalandrecoveryofCr(VI)fromwastewaterbymaghemitenanoparticlesJ.WaterRes,39(2005)4528-4536.10 HuJ,Lo-IreneMC,ChenGH.Compa

22、rativestudyofvariousmagneticnanoparticlesforCr(VI)removalJ.SepPurifTechnol,56(2007)249-256.11马珊，肖玲，李伟.良分散性磁性壳聚糖纳米粒子的制备及吸附性能研究J.离子交换与吸附，2010,26(3)：272-279.12朱开梅，顾生玫，黄耀峰，等.壳聚糖磁性微球的制备及在处理造纸工业废水的应用J.华夏医学，2006,19(1)：3-5.13 ZhuKM,GuSJ,HuangYF,etal.Preparationandapplicationofchitosanmagneticmicrospheresinp

23、apermakingwastewaterJ.ActaMedSin,2006,19(1):3-5.14韩志刚，陈卫.磁性壳聚糖在水处理中的应用J净水技术，2009,28(1)：15-19.15董海丽，任晓燕.磁性壳聚糖微球对大豆乳清废水中蛋白质的吸附作用J.食品科学，2007,28(7)：205-207.16CheungWH,SzetoYS,MckayG,etal.IntraparticlediffusionprocessesduringaciddyeadsorptionontochitosanJ.BioresourceTechnology,2007,98:2897-2904.17韩德艳，谢长生

24、.铁壳聚糖磁性微球对甲基橙废水的脱色研究J.湖北师范学院学报(自然科学版)，2006,26(1)：19-21,25.18李颖，王光祖.纳米材料的表征与测试技术J.超硬材料工程，2007,4：38-42.19崔黎黎，范慧俐，肖军平，等.纳米材料外表修饰的研究进展J.材料导报，2006,5：5-7.20柳艳，陈军，宋磊，等.纳米材料的外表修饰和表征技术J.能源环境保护，2008,22(5)：14-17.21李菲，郝喜海，王振中，等.纳米粉体的外表改性研究进展J.广东化工,2010,37(5)：13-14.22周春姣.外表修饰超顺磁Fe3O4纳米颗粒的合成及应用研究D.湖南大学，2010.23陈显利

25、，田野，张浩，等.纳米磁种材料外表改性及其水吸附性能J.科技导报,2011,29(03)：56-59.24李海波，毕韶丹，董传儒.胺化磁性壳聚糖的微波制备及其吸附性能研究J沈阳理工大学学报，2010,29(5)：86-89.作者简介：杨瑞洪1980一，男，硕士，讲师。主要斫究方向为工业节水与污水回用。上接52页参考文献：李余增.热分析M.北京：清华大学出版社，1987.23-29.蔡正千.热分析M.北京：高等教育出版社，1993.40-48.3都有为.铁氧体M.南京:江苏科学技术出版社，1996.172,324-347.4林其壬.铁氧体工艺原理M.上海：上海科学技术出版社，1987.81-83,97-98,108.周志刚等.铁氧体磁性材料M.北京：科学出版社，1981.13-22,343-353,329-334.(6电子元器件专业技术培训教材编写组.铁氧体工艺M.北京：电子工业出版社，1984.121,138/39.神户博太郎.热分析M.北京：化学工业出版社，1982.20-23.网于伯龄，姜股东.实用热分析M.北京：纺织工业出版社,1990.24-25.9刁都人.比外表积测试仪和热分析仪在软磁铁氧体质量控制中的应用JL磁性材料及器件，2007,38(4)：66.作者简介：刁静人967，女，江苏秦县人，高级工程师，主要研究方向为磁性材料及器件。