钛酸盐纳米材料去除水中污染物
目前，中国的水污染可分为有机污染和无机污染。有机污染物主要是有机物、多环芳烃和农药。目前，水中已检测出2200多种有机化合物，部分有机化合物已被证明具有致癌、致畸、致突变作用。无机污染主要是重金属离子造成的，如铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)等无机物，可使人中毒生病。在污水处理过程中，传统的水污染处理技术存在材料二次污染、使用寿命短、再生困难等突出问题。因此，高效、可持续的污水处理新材料成为世界范围内探索的焦点。
钛酸盐纳米材料(TNM)是由具有共享边缘的TiO6A多面体组成的结构。TNM因其高比表面积、良好的结构稳定性和离子交换能力而受到广泛关注，并在储氢、锂电池和光催化等一系列领域得到广泛研究和应用。作为光催化剂，TNM可以降解氨、碱性染料和化学战剂。作为吸附剂，TNM能有效吸附有毒重金属阳离子、有机金属阴离子(如二十二烷酸根和辛二烷酸根)、有机污染物(如碱性染料等)。).
TNM不仅具有优异的光催化和吸附性能，还具有良好的沉降性、易脱附性和环保性。本文详细介绍了TNM在水污染治理中的应用和发展，为TNM在水环境污染领域的应用提供理论指导。
首先，钛酸盐纳米材料对水中污染物的去除效果
1.1钛酸盐纳米材料作为吸附剂
有效去除水中的重金属离子对保护环境和公众健康非常重要。水热法合成的TNM具有灵活的层间距、莱文离子交换容量、高比表面积和高密度。在表面上，TNM对各种水污染物表现出优异的吸附效果。根据朱等的实验，具有吸附放射性阳离子的能力，有毒的放射性阳离子(Sr2+和Ba2+)可以通过离子交换永久捕获在钛酸盐纳米纤维中，从污染水中分离出来，阳离子从吸附剂中释放出来。因此，TNM作为吸附剂不会造成二次污染。
根据钛酸盐材料与染料之间的离子交换机制或静电力，TNM对不同的有机染料，如亚甲基蓝、碱性绿5和碱性紫10表现出优异的吸附性能，主要是因为纳米花的层状纳米结构可以保持较高的表面积，并对水流提供必要的机械鲁棒性，从而增强了TNM的吸附能力。
1.2钛酸盐纳米材料作为催化剂
唐等将Ag+以纳米尺度(~1nm)均匀分布在钛酸盐层间，形成钛酸盐复合薄膜光催化剂。钛酸盐薄膜在可见光下对甲基橙(MO)的降解具有光催化活性，在可见光照射160min后，MO可以完全降解。钛酸盐薄膜的高光催化活性归因于Ag纳米粒子的有效电子-空穴分离。样品循环使用后仍具有良好的光催化活性，光催化性能的下降是由于催化剂在循环使用过程中的损失造成的。这表明TNM是一种稳定的可见光光催化剂。
陈等发现TNT (60~70%)的光催化活性高于P25(53%)和原锐钛矿型(37%)。H-钛酸盐和复合纤维(覆盖有锐钛矿纳米晶体的钛酸盐纳米纤维)也是在紫外光下降解和合成染料的高活性光催化剂。华等观察到质子化吸附的MB和RhB在紫外光照射下可有效降解，240min后去除率分别为99.9%和92.7%，表明对水中染料的去除具有较高的光催化活性和去除率。
二、钛酸盐纳米材料去除水中污染物的影响因素
2.1准备条件
TNM源于二氧化钛纳米粒子的碱性水热处理，其形貌和性质受到合成条件(包括温度、反应时间和碱液浓度)的强烈影响。
温度和反应时间对TNM的结构、形貌和吸附性能有重要影响。热反应中NaOH的浓度也会极大地影响TNM最终产物的形貌。NaOH浓度的变化会导致钛酸盐材料的三种不同形成机制，晶相会是TiO2和钛酸盐的混合相、单斜钛酸盐和非晶材料。TNM的形貌和晶相的不同会导致BET比表面积和孔容的不同，从而导致对重金属离子的吸附行为不同。表面活性剂的加入会降低TNM的比表面积、孔径和孔容，有效提高TNM的吸附性能。
2.2外部环境因素
外界环境如水温、pH值、钠离子含量、污染物浓度、共存离子等都会影响TNM的吸附性能。
温度对合成TNM的形貌和性能也有一定的影响。随着水热处理温度的升高，TNM的吸附量增加，这主要是由于形成了层状钛酸盐材料，如纳米管和纳米棒。这些层状钛酸盐在层间空间有大量的离子交换位，因此吸附能力增强。
pH会影响TNM的Zeta电位和重金属离子的存在形态，进而影响催化剂的表面负载、金属形态和金属电离度，进而影响吸附容量和吸附机理。因此，pH是影响TNM吸附性能的最重要因素之一。TNT是一种带负电的颗粒，pH值高于3，所以pH值高时更容易吸附带正电的Cu(II)离子。
在实际污染水中，多种重金属离子通常共存，共存的金属离子对TNT吸附有协同作用。无机离子的存在大大增加了纳米材料的水力直径(Z平均尺寸)和ζ电位。一般来说，离子强度对TNM的影响主要表现在以下几个方面:
(1)通过Zeta电位的变化，改变TNT双电层的结构，
(2)减小水合离子的半径，
(3)活性位点与金属离子的竞争。
3.钛酸盐纳米材料去除水中污染物的机理
3.1吸附机理
TNM的吸附机理主要包括离子交换、表面络合、化学沉淀和静电吸引。
大多数学者认为，TNM对阳离子的吸附机理主要是金属阳离子与Na+在材料层间的交换，其交换容量与材料中Na+的量成正比。李等探索了硝酸活化的钛酸钠晶须对Pb(II)和Cu(II)的吸附和解吸行为，发现其机理可能是Pb(II)和Cu(II)与Na+交换形成稳定的钛酸金属盐。
刘等[HL]在实验中发现，多层钛酸盐纳米管(TNTs)对Cr(III)有很高的吸附能力，吸附量高达88.99 mg/g，当Cr(III)和Cr(VI)共存时，TNTs在pH3~6范围内对Cr(III)和Cr(VI)的吸附有协同作用。当PH=5为5，TNTs用量为0.6g/L时，与单元体系相比，Cr(III)的吸附量从56.3mg/g增加到82.1mg/g，Cr(VI)的吸附量从0增加到9.8mg/g。因此，Cr(III)的吸附量与TNTs中Na+的含量呈线性关系。而双层吸附只有在Cr(III)和Cr(VI)共存时才会发生，Cr(III)和Cr(VI)首先聚集形成离子团簇，然后Cr(III)-O-Cr (VI)被吸附在TNTs上的Cr(III)桥接。
TNM对金属阴离子(As(III)、As(V)等)的吸附机理。)不同于阳离子，吸附机理主要是内表面络合。对于有毒重金属离子，TNM比其他常用吸附剂具有更强的吸附性能，TNM经过简单处理后可以有效重复使用。吸附过程结束后，易于与水溶液分离，水中排出的氢离子对环境无害，表明TNM在重金属污染废水处理领域具有很大的应用前景。
3.2催化机制
光催化过程一般包括以下几个步骤:光照下e-/h+的分离、染料吸附、氧化还原反应和产物的脱附。据黄等报道，TNF、TNT和对染料的饱和吸附量分别为4.6e-mol/g、2.5e-4mol/g和1.7e-5mol/g。
显然，TNF的高吸附量有利于光催化活性，因为染料分子必须先吸附在吸附剂表面，然后再分解。此外，TNF具有高表面积和其表面上高密度的功能性轻基团。因此，TNF有更多的活性位点来吸附更多的分子O2、水和染料分子。被吸附的分子O2可以有效地捕获光生电子，形成活性氧物种，从而提高光催化活性。较高的表面积和较小的颗粒尺寸可以减少体电荷载流子的复合，并确保e-/h+逃逸到表面。导致更高光催化活性的第三个因素是更小的带隙。TNF、TNT和TNW的带隙分别为3.50eV、3.57eV和3.73eV。更小的带隙意味着吸附剂可以吸收更高波长的光，因此它更具光电性。
在光催化的末期，回收光催化剂是非常重要的。通过沉降颗粒可以实现低成本的催化剂分离过程。Saliby等人研究了TNM的沉降，发现沉降30分钟后浊度去除率可达80%左右，沉降2小时后去除率提高到90%。TNM的快速沉降是其应用于废水光催化的另一个优点。
三。结论。
TNM作为一种新型纳米材料，具有吸附容量高、沉降性能好、脱附速率快、再生能力强、合成容易、价格低廉、来源广泛等特点。它是一种良好的重金属吸附材料，在水环境污染领域具有广阔的应用前景。
TNM的主要研究方向是光催化和吸附。TNM因其独特的晶体结构和物理化学性质、较大的层间距、可调的晶格参数和较强的离子交换能力，可以作为一种高效的吸附剂。由于它们的宽禁带(3.4~3.7eV)和优异的光学性能，它们具有很高的光催化活性。
对TNM进行了一些研究，但大多数仍是实验室研究。如果需要产业化并在工程上大规模应用，需要开展以下工作:
(1)现在的重金属污染(如Pb(II)、Cd(II)、Cr(IV)、Hg(II)、Ni(II)等。)越来越严重了。多种重金属离子共存，需要研究不同金属离子的竞争以及常见无机离子对吸附的影响。因此，多金属体系在实际环境中的模拟类似于重金属废水，这使得研究具有更深刻的现实意义。
(2)大多数研究都是以晶态TiO2为前驱体材料制备TNM，这使得TNM合成法的重现性高度依赖于TiO2原料，而TiO2较窄的带隙限制了387nm以下紫外光的电子和空穴的产生。因此，合成具有更宽光吸收和更低电荷复合率的TiO2基材料将是开发更高效光活性材料的重要一步，从而提高TNM的光催化活性，拓展其在水处理等环境污染领域的应用。
(3)目前TNM的制备是基于水热处理，其吸附量随着水热处理温度的升高而增加。但在实际应用中，提高温度会增加成本。因此，有必要研究提高常温处理效率的方法。(来源:福州大学土木工程学院福建闽科环保科技发展有限公司)
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