新型纳米材料在工业废水中去除重金属的应用研究

发布时间：2026-01-20 09:33:06 浏览次数：119

刘影，杨玲，陈迪，杨光义，陈孚尧，杨悦娜

徐州生物工程职业技术学院，江苏徐州221006

摘要：纳米材料凭借独特的尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，在工业废水重金属去除领域展现出显著优势，本文聚焦工业废水重金属污染治理需求，系统开展新型纳米材料（含纳米氧化物、纳米复合材料及改性纳米材料）的应用研究，通过明确不同材料与重金属离子的作用机制、优化处理工艺参数，实现了重金属去除效率的提升、处理成本的降低与二次污染的控制。这一研究不仅为工业废水重金属达标排放提供了技术支撑，更助力推动水资源可持续利用，兼具重要的环境效益与经济效益。

引言

工业废水中汞、镉、铅等重金属来源广泛且危害极大。电镀行业排放的废水常含有高浓度铬、镍等重金属；采矿行业废水则多存在汞、铅等^[1]。这些重金属一旦进入环境，因其毒性强、难降解以及易在生物体内聚集的特性，对生态环境与人类健康构成严重威胁。在水生生态系统中，重金属干扰水生生物正常生长、繁殖和代谢，破坏食物链，致使生物多样性减少。对人类而言，通过饮水或食物链摄入重金属，会损害神经系统、免疫系统及生殖系统^[2]。

传统处理工业废水重金属的方法存在诸多不足。化学沉淀法原理相对简单，通过往废水中添加沉淀剂，使重金属离子形成难溶沉淀物实现分离^[3]。但沉淀剂选择和沉淀条件控制要求较高，处理效果受水质影响大，还易产生大量难以处理的污泥。离子交换法借助离子交换树脂与废水中重金属离子反应，然而树脂再生麻烦，成本高昂^[4]。

纳米材料凭借独特的尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，为工业废水重金属去除带来新契机^[5]。其尺寸小、比表面积大幅等优势，能提供大量吸附重金属离子的活性位点；表面原子配位不饱和，反应活性高，有利于与重金属离子发生反应；量子尺寸效应赋予其特殊电学和光学性质，在光催化去除重金属方面展现独特优势^[6]。研究新型纳米材料在工业废水重金属去除中的应用，有助于丰富环境材料学理论体系，明晰纳米材料与重金属离子的作用机制^[7]。在实际应用中，能够显著提高工业废水重金属处理效率，降低处理成本，减少二次污染，推动水资源的可持续利用，具有重要的环境和经济效益^[8]。

1纳米材料材料国内外研究现状

国外针对纳米材料用于工业废水重金属去除的研究开展较早，并取得了一系列显著成果。Yang等^[9]全面探讨了多种纳米材料在去除废水中重金属方面的应用，指出纳米材料的独特性能使其在该领域展现出巨大潜力。Singh等^[10]深入研究了利用纳米材料吸附和去除废水中重金属的机制与动力学，为优化处理工艺提供了理论支撑。Wadhawan等^[11]在综述中详细分析了纳米材料作为吸附剂在重金属离子去除中的作用，总结了不同纳米材料的优势与局限。

在国内，唐雅兰和蒋学金^[12]研究了纳米复合材料在印染废水处理中的应用机制与发展趋势，虽聚焦印染废水，但对工业废水重金属处理有一定借鉴意义。方瑞娜等人^[13]分析了改性碳纳米材料在污水处理中的吸附机制及应用，其对纳米材料吸附性能的研究可为重金属废水处理提供思路。周诗画^[14]探究纳米吸附材料对放射性重金属污染废水的吸附效果，丰富了纳米材料处理特定重金属废水的研究成果。张武平、赵裕鑫等^[15]开展了基于纳米材料的重金属废水高效吸附工艺研究，致力于提升实际处理工艺的效率。王德峰^[16]研究了纳米材料在工业废水处理中的吸附性能，为纳米材料在工业废水领域的应用提供了数据支持。闫宪雷^[17]探讨了基于纳米技术的重金属废水处理及其对环境的影响，综合考量了处理过程的环境效益。王艺霖^[18]研究了改性氧化锌复合材料吸附水体中的重金属，为特定纳米材料的应用提供了案例。荆肇乾^[19]阐述了纳米纤维素材料在重金属废水治理中的应用，拓展了可用于重金属废水处理的纳米材料种类。Sable等^[20]则从战略角度探讨了先进纳米材料在重金属废水修复中的工程应用，为未来研究指明方向。

近年来，国内研究进一步聚焦新型纳米材料的功能性设计与工程应用。例如，徐云龙等人^[21]针对环保型纳米吸收剂材料开展研究，探讨了其对工业废水污染物的去除性能，为材料选型提供了新视角。刘增泽等^[22]系统综述了光催化纳米材料在工业废水处理中的应用，强调了纳米二氧化钛、氧化锌等材料在光催化领域的应用潜力。郑怀礼等^[23]围绕磁性纳米材料的吸附特性展开研究，为解决纳米材料分离难题提供了新思路。徐辰瑶^[24]对二维纳米材料在重金属废水去除中的吸附机制进行了探讨，揭示了其在复杂废水处理中的应用价值。

在材料制备工艺方面，付中贞^[25]开展了纳米二氧化钛光催化材料的制备与性能研究，为提升材料光催化活性提供了工艺参考。韦俊麒^[26]针对纳米零价铁基复合材料去除Cr（Ⅵ）的性能进行研究，分析了其作用机制与应用效果。李巧^[27]研究了改性碳基纳米材料的制备及其在去除铬方面的应用，探讨了吸附与还原的协同作用机制。张艳等^[28]开发的改性石墨烯纳米材料，为废水中重金属离子的检测与处理提供了多功能应用思路。

在生物基纳米材料领域，袁冠青^[29]和谭玉梅^[30]分别对钛酸纳米材料和纳米纤维素的表面功能化及其吸附性能展开研究，为提升材料选择性与生物相容性提供了研究范例。陶正凯、王留锁^[31]早期对纳米材料处理工业废水的研究进展进行了综述，梳理了该领域从单一吸附剂到复合功能材料的技术发展脉络。

总体来看，国内外在纳米材料用于工业废水重金属去除的研究上已取得一定进展，但仍存在不足。部分新型纳米材料的制备成本过高，限制了大规模工业应用；对于纳米材料在复杂工业废水体系中的长期稳定性、与其他污染物的相互作用以及潜在生态风险等方面的研究还不够深入。

2工业废水重金属污染及传统处理方法

2.1工业废水中重金属的种类与来源

工业废水中常见重金属有汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）等。汞是液态金属，挥发性强，其化合物如甲基汞毒性极大，易在生物体内富集，严重损害神经系统。镉质地软，难降解，长期接触会引发肾脏与骨骼问题。铅对人体神经、血液及消化系统危害大，尤其影响儿童智力发育。铬的六价态氧化性强、毒性高，刺激皮肤与呼吸道。砷虽非金属，但其化合物致癌，严重威胁人体健康。

电镀行业常使用含铬、镍、铜等重金属的电镀液，废水排放含大量重金属。如镀铬工艺，废水中残留大量六价铬。采矿行业在开采、选矿时，矿石中重金属随矿坑排水、尾矿废水流入环境，像铅锌矿开采废水成分复杂，含铅、锌及伴生的镉、汞等。化工行业在生产中，部分原料或中间产物含重金属，如农药生产用含砷、汞化合物，颜料、涂料生产用铅、铬等，废水随之含有这些重金属污染物。

2.2传统工业废水重金属处理方法

化学沉淀法是向废水中加沉淀剂，使重金属离子生成难溶沉淀物以实现分离，常用沉淀剂有氢氧化物、硫化物等。如处理含铜废水加氢氧化钠，铜离子与氢氧根反应生成氢氧化铜沉淀。实际操作先分析水质确定沉淀剂及用量，在反应池混合，再经沉淀、过滤分离。但该方法沉淀剂选择与条件控制要求高，不同重金属需不同处理方式，否则沉淀不完全。且产生大量含重金属的危险污泥，处理不当易造成二次污染，后续处理成本高。

离子交换法利用离子交换树脂与重金属离子交换，树脂表面可交换离子与废水中重金属离子交换，如强酸性阳离子交换树脂处理含镍废水，氢离子与镍离子交换。实际用固定床或移动床方式，固定床将树脂装柱，废水通过反应；移动床定期更换再生树脂。此方法去除效率高、可回收重金属，但树脂再生困难，需大量酸碱试剂，成本高且产生污染性再生废液，树脂寿命有限，需定期更换。

吸附法用活性炭、沸石等吸附剂，活性炭孔隙多、比表面积大，可吸附重金属，如处理含汞废水有一定效果，但吸附容量有限且再生难，常作深度处理。膜分离法如反渗透、纳滤，借半透膜选择透过性，在压力下分离重金属离子与水，反渗透膜能截留重金属，不过设备投资大、运行成本高，膜易污染需定期清洗更换，应用受限。

3纳米材料的应用

3.1纳米材料的特性

纳米材料尺寸介于1至100纳米，微小尺寸产生尺寸效应。其比表面积因尺寸小而剧增，如普通块状材料比表面积几平方米每克，纳米颗粒可达几百平方米每克。大比表面积提供众多活性位点吸附重金属离子。像纳米二氧化钛颗粒，表面不饱和键多，能与重金属离子通过物理或化学作用结合，增强吸附力。尺寸减小还使表面原子比例增加、活性增强，利于吸附与化学反应，提升重金属去除效果^[5]。

纳米材料表面原子配位不饱和，有大量悬空键，表面活性高。以纳米氧化锌为例，表面原子因配位不饱和吸引电子，形成电子富集区，能与带相反电荷的重金属离子静电吸引。且表面羟基等官能团可与重金属离子发生络合反应，增强固定和去除能力。此外，表面效应影响纳米材料分散性与团聚行为，分散均匀时能充分发挥表面活性，提高去除效率；发生团聚则减小有效比表面积，降低效果^[7]。

当纳米材料尺寸小到一定程度，产生量子尺寸效应，电子能级由连续变分立。此效应赋予纳米材料特殊电学和光学性质，在光催化去除重金属中作用关键。以纳米二氧化钛光催化为例，光照下价带电子跃迁到导带形成电空穴对，因其量子尺寸效应，导带和价带位置改变，氧化还原能力增强，可将高价重金属离子还原或氧化为易去除形态，如将六价铬还原为三价铬以便沉淀去除。同时，该效应影响纳米材料对光的吸收范围和强度，调控尺寸可拓宽光谱响应范围，提高光催化效率。

3.2纳米材料与重金属离子的相互作用机制

物理吸附靠范德华力和静电引力。纳米材料大比表面积使其与重金属离子间范德华引力总和可观，如纳米碳管靠范德华力吸附重金属离子。在一定pH条件下，纳米材料表面因质子化或去质子化带电，与带相反电荷的重金属离子静电吸引。但物理吸附可逆、吸附速度快、容量有限，受温度、pH影响大。温度升高，已吸附离子可能脱附；pH改变纳米材料和重金属离子状态，影响吸附效果^[10]。

纳米材料表面官能团与重金属离子可发生化学吸附和化学反应。如纳米二氧化硅表面羟基能与铜离子络合，先通过氢原子与氢氧根离子交换使表面带负电，再与铜离子形成配位键。具有还原性的纳米材料，如纳米零价铁，能将重金属离子还原，像处理含汞废水时将汞离子还原为汞单质。化学吸附和化学反应不可逆、吸附容量大、选择性高，但反应条件苛刻，需合适温度、pH等促进反应。

光催化纳米材料如纳米二氧化钛，光照产生电子-空穴对。光生电子有还原性，可还原重金属离子，如将银离子还原为银单质。光生空穴与水或氢氧根反应生成强氧化性羟基自由基，能氧化部分重金属离子为易沉淀或去除形态，如将三价砷氧化为五价砷以便沉淀。光催化反应受光照强度、光催化剂用量、溶液pH等影响。增加光照强度和用量可提高电子-空穴对产生速率；pH影响纳米材料表面电荷和重金属离子形态，进而影响反应^[22]。

3.3影响纳米材料去除重金属效果的因素

纳米材料粒径、比表面积和表面官能团影响去除效果。粒径小，比表面积大，吸附位点多，吸附能力强，如10nm颗粒比50nm的对铅离子吸附量高。大比表面积促进吸附，高比表面积纳米活性炭对多种重金属吸附效果好。不同表面官能团化学活性不同，对重金属吸附反应能力有别，如羧基官能团利于络合铜离子，氨基官能团对汞离子吸附佳，可通过表面改性引入特定官能团增强选择性。

废水pH影响纳米材料表面电荷和重金属离子形态。酸性时纳米材料表面质子化带正电，利于吸附负电重金属离子；碱性时反之。pH还影响重金属离子水解、沉淀行为，如含铬废水，pH变化影响铬离子形态与沉淀情况。重金属离子浓度在一定范围内，浓度增加，去除量增加但去除率可能降低，因高浓度易使纳米材料活性位点饱和。共存离子可能竞争吸附位点或改变纳米材料表面性质，影响目标重金属去除，如含铜、锌混合废水，锌离子竞争影响铜离子去除率。

反应温度影响分子运动和反应速率。适当升温可加快纳米材料与重金属离子作用，提高去除效果，但温度过高，物理吸附离子可能脱附，还可能影响纳米材料结构性能，如纳米二氧化钛光催化时，温度过高降低光催化活性^[15]。反应时间延长，去除量通常增加，达平衡后效果提升不明显。搅拌可使纳米材料均匀分散，增加碰撞几率，但搅拌过快导致团聚，减小有效比表面积，降低去除效果，需优化反应条件以达最佳去除效果。

4新型纳米材料在工业废水中去除重金属的应用

4.1纳米氧化物

纳米氧化物在工业废水重金属去除中应用广泛，以纳米二氧化钛和纳米氧化锌为例。纳米二氧化钛化学性质稳定、催化活性高，具备独特的光催化性能。在光照条件下，它能产生电子空穴对，引发一系列氧化还原反应。有研究表明，将纳米二氧化钛用于处理含铬废水时，在紫外光照射下，光生电子可将六价铬还原为三价铬，进而通过调节溶液pH值，使三价铬形成氢氧化铬沉淀得以去除。其光催化效率受纳米二氧化钛粒径、晶型以及光照强度等因素影响，较小的粒径和锐钛矿晶型往往具有更高的催化活性。

纳米氧化锌同样具有良好的吸附和光催化性能。其表面存在大量的不饱和键和活性位点，能与重金属离子发生物理吸附和化学吸附。例如在处理含铅废水时，纳米氧化锌表面的羟基官能团可与铅离子发生络合反应，实现铅离子的有效吸附。并且，纳米氧化锌在光催化过程中，能够产生具有强氧化性的活性物种，将部分重金属离子氧化为更易去除的形态，提升了对复杂工业废水的处理能力^[18]。

4.2纳米复合材料

纳米复合材料结合了多种材料的优势，在工业废水重金属去除方面表现出卓越性能。碳纳米管复合材料便是其中的典型代表。碳纳米管具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性，与其他材料复合后，性能得到进一步优化。有研究将碳纳米管与聚合物复合用于处理含汞废水，碳纳米管提供了丰富的吸附位点，聚合物则大大增强了材料对汞离子的选择性吸附能力^[11]。在实际应用中，该复合材料能够快速吸附废水中的汞离子，且吸附容量较大，展现出良好的应用前景。

纳米纤维素复合材料也备受关注。纳米纤维素具有高强度、高比表面积和丰富的羟基官能团等特性。当与其他纳米材料复合后，可显著提高对重金属离子的吸附性能。例如，纳米纤维素与纳米零价铁复合，用于处理含铜废水。纳米纤维素不仅为纳米零价铁提供了稳定的载体，还能通过表面的羟基与铜离子发生络合作用，而纳米零价铁则可将部分铜离子还原为单质铜，进一步提高了铜离子的去除效率。

4.3改性纳米材料

改性纳米材料通过对原有纳米材料进行表面修饰或掺杂等处理，提升了其对重金属离子的去除效果。表面改性是常用的手段之一，比如对纳米二氧化硅进行表面氨基化改性。经过改性后，纳米二氧化硅表面引入了氨基官能团，氨基具有较强的络合能力，能与多种重金属离子形成稳定的络合物。在处理含镍废水时，氨基化改性的纳米二氧化硅对镍离子的吸附量明显高于未改性的纳米二氧化硅，且吸附选择性也有所提高，能够在复杂的废水体系中优先吸附镍离子。

掺杂改性同样能够优化纳米材料的性能。以掺杂稀土元素的纳米材料为例，在纳米二氧化钛中掺杂少量的铈元素，可改变纳米二氧化钛的晶体结构和电子性质，提高其光催化活性。在处理含砷废水时，掺杂铈的纳米二氧化钛在可见光照射下，能够更有效地产生具有强氧化性的活性物种，将三价砷氧化为五价砷，促进砷的沉淀去除，展现出在可见光条件下高效处理废水的潜力^[19]。

5 实际工业废水处理案例分析

以江苏某电子电镀企业为例，该企业专注于电子元器件的电镀生产，每日产生大量工业废水。因其生产工艺复杂，废水呈现排放量大、成分复杂的特性，废水中富含铬、镍、铜等重金属离子，若未经妥善处理直接排放，会对周边水体及土壤环境造成严重污染。在引入纳米材料处理技术之前，该企业采用化学沉淀法与离子交换法相结合的传统工艺。化学沉淀阶段，添加氢氧化钠、硫化钠等沉淀剂，促使重金属离子转化为氢氧化物或硫化物沉淀，初步降低废水中重金属含量。后续利用离子交换树脂，进一步吸附残留的重金属离子。但该工艺存在明显缺陷，化学沉淀时，沉淀剂用量难以精准把控，常导致部分重金属离子无法完全沉淀。离子交换树脂不仅再生频繁，而且再生过程需消耗大量酸碱试剂，成本居高不下，再生废液若处理不当，极易引发二次污染。

考虑到废水特性，企业选用纳米复合材料。具体而言，采用碳纳米管-聚合物复合材料处理含汞、镉废水，纳米纤维素-纳米零价铁复合材料处理含铜、镍废水。碳纳米管-聚合物复合材料具备高比表面积与良好的吸附选择性，能够高效吸附汞、镉等重金属离子，其中聚合物成分增强了对特定重金属的亲和性。纳米纤维素纳米零价铁复合材料中，纳米纤维素的高比表面积和丰富的羟基可与铜、镍离子络合，纳米零价铁则通过还原反应进一步提升去除效率。

废水先进行预处理，调节 pH 值至合适范围，使部分重金属离子初步沉淀。随后引入装有纳米复合材料的反应池，在 30℃下搅拌反应 60 分钟，促使纳米材料与重金属离子充分接触。反应结束后，运用过滤等固液分离手段，分离吸附有重金属离子的纳米材料。通过多次实验，确定纳米材料投加量为 2g/L 时处理效果最佳。处理前，废水中铬离子浓度达 45mg/L，镍离子浓度为 28mg/L，铜离子浓度为 35mg/L。经纳米材料处理后，铬离子浓度降至 0.3mg/L，镍离子浓度降至 0.8mg/L，铜离子浓度降至 1.5mg/L，均符合国家排放标准。处理前后数据对比显示，纳米材料对该企业废水中重金属去除效果显著。

从成本层面看，纳米材料采购成本虽高，但因其高效去除性能，减少了后续深度处理环节及药剂用量，整体运行成本并未大幅上升。与原有工艺相比，每年可节约约 18% 的处理成本。从效益角度讲，废水达标排放避免了高额环保罚款，提升了企业环保形象，带来潜在经济效益，同时减轻了对周边环境的污染，环境效益显著。

实际应用中，纳米材料反应后出现团聚现象，影响重复利用。企业采用超声波分散技术处理反应后的纳米材料，使其重新分散，提高了重复利用率。针对纳米材料回收难题，开发了磁分离回收方法，利用纳米材料自身磁性或添加磁性物质，在外部磁场作用下实现快速回收，降低了处理成本，增强了工艺可行性。

6结论

本文通过对多种纳米材料的系统研究，明确了纳米氧化物、纳米复合材料以及改性纳米材料在处理工业废水中重金属的独特优势。以纳米二氧化钛为代表的纳米氧化物，利用光催化性能可有效还原或氧化重金属离子，实现去除目的；纳米复合材料整合多种材料特性，如碳纳米管-聚合物复合材料对汞、镉等重金属展现出高吸附选择性与大吸附容量；改性纳米材料经表面修饰或掺杂后，对特定重金属的去除能力显著提升，像氨基化改性的纳米二氧化硅增强了对镍离子的络合吸附。

与传统处理方法相比，新型纳米材料处理工业废水重金属具有明显优势。传统的化学沉淀法和离子交换法存在沉淀不完全、成本高、易产生二次污染等问题，而纳米材料凭借其特殊的尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，能够提供更多的活性位点，实现更高效、更精准的重金属去除，大大提高了处理效率，降低了运行成本。

然而，尽管纳米材料在实验室及部分实际案例中表现出色，但大规模工业化应用仍面临挑战。一方面，部分纳米材料制备工艺复杂，成本居高不下，限制了其广泛推广；另一方面，纳米材料在复杂工业废水体系中的长期稳定性及潜在生态风险研究尚不充分。在实际应用中，纳米材料的团聚现象影响其重复利用，回收技术虽有改进，但仍需进一步优化。

针对这些问题，未来的研究可从以下几个方向展开。一是研发更简便、低成本的纳米材料制备技术，提高材料的稳定性和可重复性，降低大规模应用的成本。二是深入研究纳米材料在复杂废水环境中的长期行为，评估其生态风险，为安全应用提供理论依据。三是持续优化纳米材料的回收与再利用技术，开发高效、环保的回收方法，提高资源利用率，减少二次污染。通过这些深入研究，有望进一步推动新型纳米材料在工业废水重金属处理领域的广泛应用，为解决工业废水污染问题提供更完善的技术方案。

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