磁性纳米材料在废水处理中的应用

孔令瑞

（延安大学西安创新学院，陕西 西安 710100）

磁性纳米材料是纳米材料的一个重要分支，具有比表面积大、吸附速率快、吸附容量大、生物相容性好、吸附能力强等优点，同时因其具有磁性利用磁分离来实现回收利用，因此在废水处理中得到广泛的应用和关注。

目前磁性纳米材料中应用较多的有CrO2、NiO和Fe3O4，其中使用研究最多的Fe3O4，已应用于生物医学、环境治理等领域。

在废水处理中，主要应用磁性纳米材料的优异选择吸附性能实现废水的处理的，在废水处理过程作为吸附剂，可去除水中重金属离子、有机染料等，也可用于水的深度处理。

1.1 磁性纳米材料的性质

磁性纳米材料的性质主要体现在以下5 个方面。

（1）物理尺度在纳米量级，有抗磁性、顺磁性、亚铁磁性、反铁磁性等磁学特性。

（2）具有独特的光、热、电和催化等特性，是应用性最强的材料之一。

（3）具有良好的磁靶向性、生物可降解性、生物相容性等特点。

（4）具有优异的吸附性能，并且在外加磁场下能够快速实现分离、重复利用。

（5）不同种类的官能团对Fe3O4改造后，能够有选择性、高效的对废水中的重金属离子和有机物进行处理，比如制备石墨烯基磁性纳米材料。

1.2 磁性纳米材料的制备

磁性纳米材料的制备方法很多，应用较多的方法主要有化学共沉淀法、溶胶凝胶法、水热法等。

（1）溶胶凝胶法。在一定条件下，将无机盐或金属醇盐水解，使其不产生沉淀而形成溶胶，再缩聚凝胶溶质使内部形成三维网络结构，最后制得磁性纳米材料。

（2）化学共沉淀法。将Fe2+和Fe3+按一定比例与沉淀剂搅拌混合，从而得到Fe3O4磁性纳米材料。

（3）水热法。一般以水溶液或者溶剂为介质，在高温高压下发生多相反应，制得的材料分散度高，颗粒大小均匀。

在废水处理中，主要利用磁性纳米材料优异的吸附性能，去除废水中多种污染物，处理对象多为剧毒物质和生物难降解污染物，对于重金属、有机染料污染物的处理尤其有效。

吸附性能优劣受多种因素影响，影响因素主要有所选用磁性纳米材料本身的性质、投加量、待处理废水的物理化学性质等。

（1）磁性纳米材料的物理化学性质。由于磁性纳米材料具有密集的微孔结构，其孔容和比表面积都很大，孔径十分小，故其吸附性好，因此具有良好的吸附性能。

（2）待处理废水的物理化学性质。废水处理过程中，废水中的重金属等就充当吸附过程中的吸附质，废水pH 值、废水温度等对废水处理过程有重要影响。废水中的H+、H3O+与重金属离子间存在相互竞争吸附作用，当pH 值较低时，H+、H3O+占据吸附剂表面具有吸附作用的吸附位点，随pH 的升高，H+、H3O+占据吸附位点的能力逐渐降低，而带正电荷的重金属离子开始占据吸附位点，对重金属离子的吸附能力增加。而当pH 值过高时，大量存在的阴离子包围金属离子，形成带负电的基团，吸附效果降低。而当pH 值超出重金属离子沉淀极限时，大量的重金属离子以氢氧化物沉淀的形式存在，吸附过程无法继续进行，在实际废水处理过程中要注意调节废水pH 值在适宜的范围内。废水温度升高，加快分子或离子运动速度，单位时间内吸附质与吸附剂接触次数增加，吸附速率加快，有利于吸附的发生。从节省成本和节约能源等角度考虑，吸附温度应适宜。

（3）磁性纳米材料投加量。磁性纳米材料投加量越大，提供的吸附表面积越大，活性位点越多，且在一定范围内，投加量与吸附质去除率成正比。但随着磁性纳米材料投加量的增加，单位面积活性位点上吸附质含量减少，比吸附量随之下降，磁性纳米材料利用率降低，因此其投加量应适宜。

磁性纳米材料因其特殊性质，增大了其应用范围，在废水处理中主要用于处理含重金属污染物、有机污染物废水。

3.1 重金属污染废水

重金属废水中常见的重金属有镉、镍、汞、锌、铜等，传统处理方法包括化学沉淀法、电化学法、膜分离、离子交换法等。其中吸附法作为重金属处理新方法，因吸附剂价廉、来源丰富、工艺简单、成本低等优点，具有广阔的前景。

Fe3O4磁性纳米颗粒可利用共沉淀法、多元醇法等方法制得，其中共沉淀法制得的Fe3O4磁性纳米颗粒粒径小，具有饱和磁化强度高，比吸附量高，分散性好，选择性好，稳定性好，可重复使用，可用于含 Cu2+、Cd2+、Cr2+等重金属的废水净化。

（1）石墨烯基磁性纳米材料表面有羟基、羰基、羧基等含氧基，能够有效、快速的去除废水中的Cr2+、Co2+。

（2）由于引入吸附基团，SiO2磁性纳米材料吸附功能增强的同时，增加了SiO2磁性纳米材料的活性位点，可以依靠SiO2表面的羟基可有效的去除废水中的 Pb2+、Hg2+。

（3）用不同的有机小分子官能团对Fe3O4磁性纳米颗粒进行表面修饰，可以得到功能不同的有机小分子功能化磁性纳米复合材料。例如硫醇Fe3O4磁性纳米颗粒，可特异吸附Hg2+，用时少，15 分钟可达吸附平衡，且其吸附效率不受溶液中其他离子的干扰。甘氨酸Fe3O4磁性纳米颗粒能高效去除Cu2+，短时间可达到吸附平衡。

（4）用天然高分子聚合物或者人工合成高分子聚合物与磁性纳米颗粒结合，从而形成有机高分子功能化磁性复合材料。高分子聚合物的存在在抑制纳米颗粒的聚集的同时，通过对磁性纳米颗粒的修饰大大增加其吸附性能。例如腐殖酸磁性纳米复合颗粒，在pH=8.5 时，对Eu3+的吸附能力高达99%，且30 分钟就可达到吸附平衡。

但是由于新制得Fe3O4磁性纳米颗粒比表面能和反应性极强，容易发生团聚，在酸性和强碱性溶液中被腐蚀，从而实际应用受到限制。

3.2 有机染料污染废水

有机废水一般由造纸、化工、印染等行业产生，废水中含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白、纤维素等有机物，直接排放会造成水体富营养化，对水资源、人类的生活、甚至是生态系统造成了威胁。染色加工废水中的染料对水的颜色重度污染，但其染色并不能由过滤、吸附、生物降解等方法除去，从而造成了持续污染。磁性纳米材料应用于有机污染物的处理也有石墨烯基磁性纳米复合材料、SiO2磁性纳米复合材料、有机小分子功能化复合材料、有机高分子功能化复合材料等四种情况。

Fe3O4纳米材料在酸性环境中不稳定，导致其使用酸度范围受限，而实际水样复杂，在处理过程中，其pH 值并不能保证总在适宜的酸度范围内，因此在实际得废水处理中，研发一种具有在广泛酸度范围内都有着良好的稳定性的磁性吸附材料至关重要。如通过催化降解来实现Fe3O4磁性纳米粒子对有机染料的处理，水热合成法制得的石墨烯基磁性纳米材料也可以快速高效的去除废水中的苯胺和氯苯胺。而采用典型的有机金属框架材料作为前驱体，合成的Co/C 磁性纳米复合物，不仅具有磁性，而且耐酸，可用于罗丹明B 和孔雀石绿等常见的有机染料吸附。

磁性纳米材料应用于废水处理主要利用其优异的选择吸附性能，处理有 机废水和重金属废水效果良好，具有操作简单、耗费成本低、污染小、可重复利用等优点。吸附温度、废水pH、吸附时间和吸附剂投加量是影响吸附效果的主要因素，根据实际吸附条件，均有一个适宜水平。

针对不同的污染物，可研发出具有高吸附选择性和高稳定性的功能化磁性纳米材料。同时研发的磁性纳米材料具有环境友好、低毒性、对人体无危害、高效、价廉、便捷的优点，并且磁性纳米材料的制备过程简单，成本低，应用更加广泛。

现阶段仍存在制备技术不成熟、吸附效果易受废水环境影响等缺点，需研究更具选择性，高效性，环境友好型及对人体安全、无害的磁性纳米材料。

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