碳纳米管净水材料的应用

2019-10-06 版权声明 举报文章

碳纳米管净水材料的应用

摘 要:碳纳米管(CNTs)的特性使其能够作为良好的吸附剂去除饮用水中的污染物。本文对CNTs的特性及应用前景进行分析。研究表明CNTs作为给水系统的新型净水材料在去除污染物方面有良好的应用前景。

关键词:吸附;碳纳米管;净水材料

中图分类号:TQ08 文献标识码:A

目前常用的饮用水的深度处理材料是粉末活性炭(PAC),但PAC净水存在微生物泄漏使水二次污染的问题。近年来,纳米水处理技术在国内外取得了一定的效果。纳米材料,如碳纳米管(CNTs),具有特殊的水处理能力并且能够有效地去除化学污染物和生物污染物。CNTs作为吸附剂,能够去除重金属离子,有机物如多环芳香烃,细菌及蓝藻毒素等污染物。本文对CNTs作为净水材料的的特性及应用前景进行分析。

1 CNTs的材料特性

CNTs是一种新型纳米材料,是由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物,其直径一般在一到几十个纳米之间,长度远大于其直径。几十个到几百个独立的纳米管在范德华引力的作用下粘结在一起形成聚合孔,这些聚合孔能提供非常大的比表面积,可以吸附细菌和病毒等污染物。CNTs的吸附可发生在四个区域,这四个区域分别是:CNTs相通的中空结构,管与管之间的空隙,纳米管束的边界或纳米管的外表面。原始CNTs具有自然的内在细胞毒素,可以防止病原体在它的表面生长并且有可能增强CNTs吸附过滤器的自净能力,而PAC过滤器表面生长病原微生物并且形成微生物的膜,会导致微生物在水中泄漏污染水源。经过单壁和多壁的CNTs处理后细菌的生理受到损害,这表明病原体不会在碳纳米管过滤器积累,并且这些溶解性的细胞经过反冲洗可以去除。也就是说,细胞毒素对提高微生物的去除效率有间接作用,因为CNTs能够同时吸附和灭活病原体而其它以碳为基础的过滤器只能够吸附病原体。因此从CNTS的材料特性上来说,它是一种水处理的良好材料。

2 碳纳米管净水材料的应用

2.1 应用成本

在实验室中利用化学气相沉积反应器生产CNTs技术已经很成熟了,相同的方法在工业上也得到了应用。Agboola等人利用化学气象沉积-活塞式流动反应器或化学气象沉积-流化床反应器方法制造具有595kg/h生产率的CNTs,平均成本为每千克25美元到28美元。Qiang 等人不断尝试应用低成本的碳氢化合物分解生产炭纳米管,更便宜的碳材料如液化石油气,试图利用它代替纯炭(如一氧化碳、甲烷、乙烯等)进行大规模生产并且获得的纯度高达97%。CNTs大规模生产已经接近商业化,并且CNTs技术已经在小型饮用水系统得到了应用。因此从成本上来讲,如将CNTs吸附用于小型水厂或家庭用户分散用水系统,成本也许不是主要考虑因素。

2.2 操作的可行性与稳定性

使用CNTs的优势就是具有大通过率和合适的低压力。Mostafavi等人和 Brady-Estevez等人的研究表明在压力小于11Pa时能够彻底去除水系统中的病毒和细菌颗粒,CNTs的能量消耗成本相比于碳纳米管膜系统低些。另一方面,CNTs膜系统具有优异的稳定性,CNTs膜系统能够承受一个大气压的压力差。因些CNTs设备具有良好的可操作性和稳定性。

2.3 分离能力

Brady-Estevez等人的研究表明通过CNTs膜的透水性比传统的聚酯酸钠膜高几个数量级。水能通过CNTs内部狭窄的通道而其它像微生物这样较大的污染物就无法通过。CNTs对水中的细菌和病毒的去除很有效。Mostafavi 等人研究了CNTs基于纳米过滤器床可以去除水中的病毒。CNTs过滤器通过喷雾热解技术处理水中的病毒,在压力为8~10Pa时对病毒颗粒的最好去除浓度为107-108 PFU/mL。当系统压力达到11Pa时通过CNTs过滤器的水的速度增加,但是大量的病毒颗粒的速度传递使过滤器上剩余的病毒颗粒浓度很低,以致它们的渗透率很低。CNTs过滤器去除病毒颗粒主要依赖于单壁碳纳米管涂层的厚度,这就是深度过滤的过程,即所有颗粒都被CNTs过滤器的上层去除。较小的病毒颗粒通过对流扩散的方式进入过滤器中并且即使低压下高通量率也能获得。因此CNTs 过滤器具有良好的分离性能。

2.4 可复用性

重复使用CNTs过滤器是处理厂从经济角度考虑的关键因素。Brady-Estevez等人的研究证明了CNTs可重复利用。像醋酸纤维过滤器这样的几种聚合过滤器具有不可逆转表面性质的变化,所以对细菌有强烈的吸附能力。另一方面,CNTs过虑器具有优异的力学性能阻止此种过程。此外,CNTs过滤器可以应用简单的热再生技术,而聚合物膜却不能。另外Su的研究表明,CNTs过滤器对生物污染物重复处理后的重量比活性炭过滤器重量的减少程度小,这表明CNTs过滤器比活性炭过虑器的应用成本小。此外,CNTs自然的细胞毒素使其表面没有病原菌的积聚,不像活性炭过滤器,它更容易的到再生。因此CNTs的可重复利用性高。

结语

CNTs已经被证明对水系统中多种污染物有很强的去除能力,CNTs过滤器可以用于饮用水系统的终端处理。CNTs具有良好的操作可生性与稳定性,另外分离能力强,可重得利用率高。基于CNTs材料的良好性能,在小型水处理系统CNTs有良好的应用前景,由于处理效率高,可以不考虑成本。

参考文献

[1]Agboola AE,Pike RW,Hertwig TA,Lou HH.Conceptual design of carbon nanotube processes[J].Clean Tech Environ Policy,2007,9:289-311.

[2]Qiang Z,JiaQi H,FeiW,GuangHui X,Yao W,WeiZhong Q,et al.Large scale production of carbon nanotube arrays on the sphere surface from liquefied petroleum gas at low cost[J].Chin Sci Bull,2007,52:2896-902.

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