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淺析碳納米管凈水材料的應用
碳納米管已經被證明對水系統中多種污染物有很強的去除能力，以下是小編搜集整理的一篇探究碳納米管凈水材料應用的論文范文，供大家閱讀參考。
摘 要：碳納米管(CNTs)的特性使其能夠作為良好的吸附劑去除飲用水中的污染物。本文對CNTs的特性及應用前景進行分析。研究表明CNTs作為給水系統的新型凈水材料在去除污染物方面有良好的應用前景。
關鍵詞：吸附;碳納米管;凈水材料
目前常用的飲用水的深度處理材料是粉末活性炭(PAC)，但PAC凈水存在微生物泄漏使水二次污染的問題。近年來，納米水處理技術在國內外取得了一定的效果。納米材料，如碳納米管(CNTs)，具有特殊的水處理能力并且能夠有效地去除化學污染物和生物污染物。CNTs作為吸附劑，能夠去除重金屬離子，有機物如多環芳香烴，細菌及藍藻毒素等污染物。本文對CNTs作為凈水材料的的特性及應用前景進行分析。
1 CNTs的材料特性
CNTs是一種新型納米材料，是由石墨原子單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構而成的管狀物，其直徑一般在一到幾十個納米之間，長度遠大于其直徑。幾十個到幾百個獨立的納米管在范德華引力的作用下粘結在一起形成聚合孔，這些聚合孔能提供非常大的比表面積，可以吸附細菌和病毒等污染物。CNTs的吸附可發生在四個區域，這四個區域分別是：CNTs相通的中空結構，管與管之間的空隙，納米管束的邊界或納米管的外表面。原始CNTs具有自然的內在細胞毒素，可以防止病原體在它的表面生長并且有可能增強CNTs吸附過濾器的自凈能力，而PAC過濾器表面生長病原微生物并且形成微生物的膜，會導致微生物在水中泄漏污染水源。經過單壁和多壁的CNTs處理后細菌的生理受到損害，這表明病原體不會在碳納米管過濾器積累，并且這些溶解性的細胞經過反沖洗可以去除。也就是說，細胞毒素對提高微生物的去除效率有間接作用，因為CNTs能夠同時吸附和滅活病原體而其它以碳為基礎的過濾器只能夠吸附病原體。因此從CNTS的材料特性上來說，它是一種水處理的良好材料。
2 碳納米管凈水材料的應用
2.1 應用成本
在實驗室中利用化學氣相沉積反應器生產CNTs技術已經很成熟了，相同的方法在工業上也得到了應用。Agboola等人利用化學氣象沉積-活塞式流動反應器或化學氣象沉積-流化床反應器方法制造具有595kg/h生產率的CNTs，平均成本為每千克25美元到28美元。Qiang 等人不斷嘗試應用低成本的碳氫化合物分解生產炭納米管，更便宜的碳材料如液化石油氣，試圖利用它代替純炭(如一氧化碳、甲烷、乙烯等)進行大規模生產并且獲得的純度高達97%。CNTs大規模生產已經接近商業化，并且CNTs技術已經在小型飲用水系統得到了應用。因此從成本上來講，如將CNTs吸附用于小型水廠或家庭用戶分散用水系統，成本也許不是主要考慮因素。
2.2 操作的可行性與穩定性
使用CNTs的優勢就是具有大通過率和合適的低壓力。Mostafavi等人和 Brady-Estevez等人的研究表明在壓力小于11Pa時能夠徹底去除水系統中的病毒和細菌顆粒，CNTs的能量消耗成本相比于碳納米管膜系統低些。另一方面，CNTs膜系統具有優異的穩定性，CNTs膜系統能夠承受一個大氣壓的壓力差。因些CNTs設備具有良好的可操作性和穩定性。
2.3 分離能力
Brady-Estevez等人的研究表明通過CNTs膜的透水性比傳統的聚酯酸鈉膜高幾個數量級。水能通過CNTs內部狹窄的通道而其它像微生物這樣較大的污染物就無法通過。CNTs對水中的細菌和病毒的去除很有效。Mostafavi 等人研究了CNTs基于納米過濾器床可以去除水中的病毒。CNTs過濾器通過噴霧熱解技術處理水中的病毒，在壓力為8～10Pa時對病毒顆粒的最好去除濃度為107-108 PFU/mL。當系統壓力達到11Pa時通過CNTs過濾器的水的速度增加，但是大量的病毒顆粒的速度傳遞使過濾器上剩余的病毒顆粒濃度很低，以致它們的滲透率很低。CNTs過濾器去除病毒顆粒主要依賴于單壁碳納米管涂層的厚度，這就是深度過濾的過程，即所有顆粒都被CNTs過濾器的上層去除。較小的病毒顆粒通過對流擴散的方式進入過濾器中并且即使低壓下高通量率也能獲得。因此CNTs 過濾器具有良好的分離性能。
2.4 可復用性
重復使用CNTs過濾器是處理廠從經濟角度考慮的關鍵因素。Brady-Estevez等人的研究證明了CNTs可重復利用。像醋酸纖維過濾器這樣的幾種聚合過濾器具有不可逆轉表面性質的變化，所以對細菌有強烈的吸附能力。另一方面，CNTs過慮器具有優異的力學性能阻止此種過程。此外，CNTs過濾器可以應用簡單的熱再生技術，而聚合物膜卻不能。另外Su的研究表明，CNTs過濾器對生物污染物重復處理后的重量比活性炭過濾器重量的減少程度小，這表明CNTs過濾器比活性炭過慮器的應用成本小。此外，CNTs自然的細胞毒素使其表面沒有病原菌的積聚，不像活性炭過濾器，它更容易的到再生。因此CNTs的可重復利用性高。
結語
CNTs已經被證明對水系統中多種污染物有很強的去除能力，CNTs過濾器可以用于飲用水系統的終端處理。CNTs具有良好的操作可生性與穩定性，另外分離能力強，可重得利用率高。基于CNTs材料的良好性能，在小型水處理系統CNTs有良好的應用前景，由于處理效率高，可以不考慮成本。
參考文獻
[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.