[发明专利]一种改性碳纳米管薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种改性碳纳米管薄膜及其制备方法和应用，所述改性碳纳米管薄膜由负载有铁和/或锰有机盐的酸化碳纳米管薄膜，经热处理诱导在薄膜表面原位分解生成纳米氧化铁和/或纳米氧化锰颗粒制得。所述改性碳纳米管薄膜应用于处理含砷、锑废水。本发明的纳米级铁、锰氧化物可原位生成，数量和尺寸可控，且不影响碳纳米管薄膜导电性，在使用过程中有能耗低、无物化污泥等优点。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种改性碳纳米管薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

砷(arsenic,As)、锑(antimony,Sb)在元素周期表中同属第五主族，具有相同ns²np³外层电子轨道和相似物理化学性质的元素。近年来由于锑、砷超标导致的一系列水环境污染和生态安全问题引起广泛关注。锑、砷均可与人体内蛋白质的巯基结合，导致细胞内离子失衡、代谢紊乱以及神经系统和其它器官受损，对人体具有高累积毒性和高致癌性，美国和欧盟已将锑、砷列为优先控制污染物，并严格限制排放。我国的锑矿储备量和生产量都居于世界首位，因此面临着最为严重的锑污染风险。在自然水环境中，锑、砷主要以三价(III)和五价(V)无机含氧酸根离子形式存在,其存在形式受水环境氧化还原状态影响显著，在有氧环境中大多以五价的形式存在，而在地下水等无氧环境中主要以三价的形式存在，三价化合物的毒性更高、迁移性更强，且去除难度更大。研究表明，Sb(III)的毒性比Sb(V)高10倍，As(III)的毒性比As(V)高60倍以上。采矿、电子、金属加工、纺织印染等行业大量使用含砷、锑化合物，由于人们对重金属材料的开发和利用，大量砷、锑化合物被释放到了环境中，导致我国水体面临着严重的砷、锑污染问题，极大地加剧了环境风险。发展高效、快速、经济解决砷、锑污染的新技术，也是满足国家水资源安全可持续利用重大需求的有力保障，对缓解日益严峻的环境压力有着重要的现实意义。

目前去除锑、砷的主流技术是化学沉淀法、生物处理法和吸附法。由于环境水体中锑、砷浓度较低，传统化学法往往受限于动力学，难以达到理想的处理效果，同时还会具有工艺复杂，成本高，产泥量大和二次污染等问题；生物法尽管成本低廉，但存在占地面积大和处理周期长等问题；吸附法具有操作简单、效率高、成本低和可回收等优点，被认为是适用于水体砷、锑污染治理的可行技术之一。

根据吸附材料的不同，吸附法可分为生物吸附、碳材料吸附和金属氧化物吸附等。相关研究表明，砷、锑与铁基吸附材料和铁锰复合材料有强亲和力，可通过表面络合、氧化还原等作用相互结合。铁基和铁锰复合吸附材料因其廉价易制、吸附能力强、结构功能可调、易分离回收、安全环保等特点而被认为是理想的砷、锑吸附材料。

由于铁基与铁锰复合吸附材料是一种松散的、易水解的、无定形的絮凝物质，同时存在导水性能差和难于脱水等问题，通常将其负载到的载体上使用。而在载体材料的选择上，碳基材料、沸石和合成树脂等具有比表面积大、机械性能好、孔道结构丰富和分散性优良特点的材料得到了广泛应用。尽管现阶段在复合材料的制备上有大量的文献发表，但在高效复合锑、砷吸附体系的构筑上仍存在不足，例如吸附速率慢、脱附难、效率低且功能单一。要实现现有锑、砷吸附体系的局限，必须在两方面取得突破：(1)强化体系的快/高吸附和易脱附特性，(2)丰富吸附体系的活性位点及耦合氧化功能。近年来碳纳米管领域的新进展九尾高效功能复合的锑、砷污染物处理技术开辟了一个新方向。

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，自从1991年被正式认识并命名后，引起各个领域研究者的关注。由于碳纳米管薄膜兼具优异的机械性、柔韧性、化学稳定性、抗菌耐污性和超疏水性等理化性质，被认为是具有前景的分离材料。碳纳米管可通过相转化或物理过滤等方法制成孔隙率高(>85％)和孔径小(<100nm)的三维自支撑膜，可用作吸附材料的优良载体。