目前，水污染是環(huán)境可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。傳統(tǒng)降解材料的降解速度與降解效率較低。納米技術(shù)可以改善材料性能，實(shí)現(xiàn)污染物快速吸附和降解。微納復(fù)合材料可以同時(shí)完成污染物的吸附和降解，完全降解水中的污染物，并且不需要后期處理即可以重復(fù)利用。蘇州大學(xué)的路建美教授課題組就近些年高效的水體凈化吸附劑與光降解復(fù)合材料進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)總結(jié)了微納復(fù)合材料在水污染治理領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)展，并對(duì)研究前景進(jìn)行了展望。

綜述導(dǎo)覽圖

近年來(lái)，原油泄漏等因素造成的水污染引起了全球的廣泛關(guān)注。通常，可以采用油水分離、加入分散劑、吸附劑等技術(shù)治理水污染。然而，二次污染、時(shí)空限制等原因限制了這些技術(shù)在水體恢復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。過(guò)去幾十年中，研究人員廣泛研究了微納材料在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

 圖1 路建美教授

和傳統(tǒng)材料相比，微納材料具有高表面積，超潤(rùn)濕性，高光催化活性等優(yōu)異性質(zhì)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)價(jià)格低廉的聚氨酯海綿、三聚氰胺泡沫、纖維素泡沫、碳材料進(jìn)行修飾得到吸附劑，除去水中的污染物。一些具有光催化活性的微納材料（TiO₂、ZnO等）也可以有效的進(jìn)行污染物降解。但是，上述材料往往功能單一，而且難以回收利用。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是尋找可以應(yīng)用在不同環(huán)境中并且能方便回收利用的多功能微納材料。

2.1 泡沫吸附材料

吸附是污水處理中的一種常用方法，泡沫吸附材料是一種常見(jiàn)的吸附劑。聚合物骨架三維（3D）泡沫具有多孔的柔性結(jié)構(gòu)，含有不同的表面官能團(tuán)，吸附速度快，可以在短時(shí)間大量生產(chǎn)。聚氨酯基(PU)、三聚氰胺基(MF)、纖維素基、碳基以及氮化硼基泡沫吸附材料是幾種典型的聚合物骨架三維泡沫吸附材料。

圖2 MF的制備及表征

a) 硅烷化三聚氰胺泡沫(MF)的制備

b) 硅烷化MF吸附劑吸附油、有機(jī)物時(shí)的可循環(huán)使用性

c) 氟化MF對(duì)不同油、有機(jī)物的吸附能力

d) 100次吸附/擠壓環(huán)己烷循環(huán)測(cè)試中的吸附劑質(zhì)量和剩余質(zhì)量。內(nèi)插圖為100次測(cè)試后氟化MF的接觸角(158.3°) 。

圖3 rGO的制備與表征

a) 發(fā)酵制備rGO泡沫的示意圖

b) rGO泡沫

c) 多孔結(jié)構(gòu)rGO的SEM 圖片

d) rGO吸附水面上車(chē)用機(jī)油的實(shí)物圖

e) rGO泡沫吸附油的可循環(huán)使用性測(cè)試（三角表示泡沫吸附油時(shí)的質(zhì)量增加，方塊表示己烷清洗后泡沫恢復(fù)到的質(zhì)量）。

2.2 無(wú)機(jī)納米材料

無(wú)機(jī)納米材料比表面積大，反應(yīng)活性高，是一種高效的污水處理吸附劑、催化劑。高表面積/質(zhì)量比極大的改善了無(wú)機(jī)納米材料的吸附能力。在某些無(wú)機(jī)納米材料中，光生電子空穴對(duì)可以高效的分離，具有高光催化效率，可以直接降解水中的污染物。本文介紹了硅納米顆粒和磁性氧化銻納米材料的應(yīng)用。

圖4 不同介孔硅(MSN)顆粒中孔的形貌

a)納米棒中3nm寬的螺旋孔

b) 球中4nm寬的六方孔

c) 球中3nm寬的立方孔

d) 立方片中10nm的六方孔

圖5 Fe₃O₄ 顆粒的磁滯回線與再分散實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

A) Fe₃O₄ 顆粒的磁滯回線

B) Fe₃O₄@nSiO₂@mSiO₂ 微球的分離再分散過(guò)程

微納復(fù)合材料可以吸附污染物和降解污染物，不需要后續(xù)操作來(lái)分離污染物和吸附劑，并且能有效去除低濃度的污染物。解決了使用吸附劑處理水污染時(shí)，污染物和吸附劑難以分離，不能有效除去低濃度的污染物的問(wèn)題。光催化納米材料、碳基復(fù)合材料、PU基復(fù)合材料、MF基復(fù)合材料和纖維素基復(fù)合材料等微納復(fù)合材料在水污染治理領(lǐng)域取得了許多研究進(jìn)展。

3.1 光催化納米材料

半導(dǎo)體光催化材料具有價(jià)格低廉、環(huán)境友好、可重復(fù)利用等優(yōu)勢(shì)，可以有效的應(yīng)用在水污染治理領(lǐng)域。TiO₂是最早研究的一種材料。在過(guò)去幾十年中，科研人員采用貴金屬表面修飾、離子摻雜等手段提高了TiO₂的光催化效率。ZnO、Fe₂O₃以及某些金屬硫化物、氮化物的光催化性能也被深入的研究。

圖6 金屬/半導(dǎo)體表面反應(yīng)機(jī)理

a) 金屬/半導(dǎo)體表面捕獲電子

b) Fe摻雜TiO₂的UV-vis光譜

單一的無(wú)機(jī)納米顆粒難以實(shí)現(xiàn)選擇性吸附和連續(xù)吸附。可以通過(guò)設(shè)計(jì)具有特殊結(jié)構(gòu)復(fù)合物，比如無(wú)機(jī)納米顆粒-有機(jī)官能團(tuán)核殼結(jié)構(gòu)，分子印跡聚合物雜化無(wú)機(jī)納米顆粒，實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)顆粒和有機(jī)官能團(tuán)的共同作用，提高吸附選擇性，并且實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸附降解過(guò)程。

圖7 GO-MIP材料制備過(guò)程示意圖

圖8 核殼結(jié)構(gòu)聚合物半導(dǎo)體光催化劑連續(xù)吸附催化過(guò)程示意圖

3.2 碳基復(fù)合材料

碳材料通常具有大比表面積，吸附能力強(qiáng)。不同種類(lèi)的碳材料和光催化劑復(fù)合得到的碳基復(fù)合材料，將碳材料吸附和半導(dǎo)體光催化結(jié)合，可以提高光催化劑吸附容量和可見(jiàn)光降解效率。石墨、碳納米管、石墨烯、C₆₀、g-C₃N₄等碳材料均可以和光催化劑形成高性能的微納復(fù)合材料。

3.3 PU基復(fù)合材料

PU可以通過(guò)和某些特定官能團(tuán)的結(jié)合，得到功能化的PU基復(fù)合材料，比如PU和殼聚糖、SiO₂/TiO₂、Cu、Fe₃O₄等組成的復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)污染物選擇吸附和降解。

3.4 MF基復(fù)合材料

具有開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的MF材料也是一種理想的復(fù)合物基體材料。通常，為了保證原始的孔結(jié)構(gòu)不被破壞，1D和2D納米材料需要合成在MF骨架上。利用MF骨架，可以合成出PS@Ag/AgCl復(fù)合材料和石墨烯復(fù)合材料，這些材料具有良好的污水處理效果。

圖9 MF骨架復(fù)合材料

a) MF骨架的PS@Ag/AgCl復(fù)合材料的制備過(guò)程

b) 包覆在MF上的Ag和Ag/AgCl納米線的SEM圖片

c) 復(fù)合材料在污水處理中作為光反應(yīng)器進(jìn)行光降解的示意圖

3.5 纖維素基復(fù)合材料

纖維素是一種綠色的可再生材料，具有可生物降解、無(wú)毒、環(huán)境相容性和化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。纖維素基復(fù)合材料可以有效的除去污水中的重金屬離子、有機(jī)物、油脂等污染物。丙烯酰胺和丙烯酸，藻酸鹽凝膠珠和石墨烯氧化物復(fù)合的纖維素基復(fù)合材料是目前研究比較多的材料。

微納復(fù)合材料可以有效的除去水中的污染物。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，吸附劑的吸附速度和催化劑的降解速度得到了提高。目前的研究熱點(diǎn)是利用微納復(fù)合材料同時(shí)進(jìn)行污染物的吸附和降解，達(dá)到完全除去污染物的目的。雖然現(xiàn)階段已經(jīng)取得了很多研究成果，但仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服。以后的研究工作可能重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

第一，避免納米材料吸附劑成為環(huán)境的污染物。納米材料本身也是一種潛在的環(huán)境污染物，通常需要將微納復(fù)合材料制成纖維、薄膜、泡沫等形狀，防止出現(xiàn)二次污染。

第二，降低微納復(fù)合材料的成本。盡管傳統(tǒng)環(huán)境恢復(fù)材料的性能較差，但是它們價(jià)格低廉，容易獲取?，F(xiàn)在微納復(fù)合材料的制備方法比較復(fù)雜，難以進(jìn)行大規(guī)模的量產(chǎn)。找到降低成本的合成方法，實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合材料大批量生產(chǎn)是一個(gè)重要方向。

第三，高濃度污染物的凈化也將是后續(xù)研究的一個(gè)重要方向。