摘要：重金属污染对水体生态和人体健康会造成严重风险，经由过程纳米材料往来来往除重金属是一个简单便捷的方式，遭到了普遍的存眷和研究。本文首要综述了纳米零价铁、铁氧化物、硫化铁、碳纳米管、石墨烯、锰氧化物、铝氧化物、二氧化钛、聚合物纳米材料和壳聚糖纳米材料等几种纳米材料对水中重金属污染修复研究进展。对它们去除重金属的机理也进行了切磋，纳米材料对重金属的去除机理首要包罗物理吸附、化学吸附、氧化还原、光催化还原和共沉淀等。并经由过程表格的情势对它们的优错误谬误、机理和改良方式进行了总结归纳。同时，本文对影响重金属去除的几个身分（溶液pH值、重金属浓度、吸附时候、温度、纳米材料机能、离子强度和共离子影响）进行了归纳总结。最后，对将来纳米材料在修复重金属方面的研究进行了瞻望。

水体重金属污染一向以来遭到普遍的存眷。重金属污染首要来自在蓄电池、化石燃料、冶金、矿山、金属电镀财产、农药和化肥等行业。常见的重金属有汞、铬、铅、砷、锌、铜、镍等。重金属具有富集性，难降解和散布广等特征。重金属经由过程生物富集感化进入人体内，会对人体健康造成严重的风险，如引发高血压、抑郁、本身免疫障碍疾病，严重者会致癌、对身体功能器官造成侵害乃至会致使灭亡。20世纪50年月，水俣病（Hg中毒）和骨痛病（Cd中毒）就是重金属所引发的重年夜污染事务，这在全球引发了极年夜的发急，人们最先对重金属污染赐与极年夜的存眷，并加鼎力度治理重金属污染。

今朝，水体重金属污染的治理方式首要有：化学沉淀法、电化学法、离子互换、超滤、吸附和膜处置手艺等，此中吸附手艺因其操作简单、去除率高、合用性强、吸附剂可反复操纵和本钱低等长处而被普遍利用。吸附剂作为吸附手艺中不成或缺的一部门，它的拔取十分主要，一个好的吸附剂应当具有比概况积年夜、吸附速度快和到达均衡时候短的长处。纳米材料发源在20世纪70年月，它是指三维空间中最少有一维为纳米尺寸（1~100nm）或由它们为根基单位构成的材料。因为纳米材料的纳米尺寸效应，纳米材料的概况与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应与宏不雅量子地道效应城市产生转变。纳米晶体粒概况原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增年夜，这使纳米材料概况具有良多活性位点，是以纳米材料的吸附活性很强。纳米材料因其比概况积年夜、吸附活性强、消融速度快等长处而作为热点吸附剂。

纳米材料因为上述长处被普遍利用在水中重金属的去除研究。今朝，关在去除水中重金属的纳米材料吸附剂研究有良多，例如碳纳米管，纳米零价铁、金属氧化物、聚合物纳米材料和各类改性纳米材料。汪婷等操纵纳米四氧化三铁去除水中的Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅲ）。本文首要综述了纳米材料在水体重金属污染修复范畴的利用，并对其去除机理、优错误谬误和影响其去除重金属的身分进行了归纳总结。

1 去除重金属的常见纳米材料

1.1 铁基纳米材料

1.1.1 纳米零价铁

纳米零价铁最早问世在20世纪90年月，因其高比概况积、高还原性和高活性而被普遍存眷。纳米零价铁为零价，易被氧化，活性较高，是很好的还原剂；纳米零价铁为纳米级尺寸，比概况积很年夜；纳米零价铁有磁性，轻易分手，是以被普遍利用在水中重金属的去除研究。

Kanel等研究发现纳米级的零价铁能快速高效地去除水中As（V），其反映速度常数是通俗零价铁的1000倍摆布，是以，纳米零价铁是一种高效去除地下水中As（V）的纳米材料。纳米零价铁固然可以高效去除重金属，可是它易团圆、不不变、易氧化并且会造成二次污染，是以，其成长遭到了限制。为了降服上述问题，最先在纳米零价铁概况增添官能团或将其附着在不变剂长进行改性。其一，在纳米零价铁概况搀杂第二种金属来避免其概况氧化。例如Yan等在纳米零价铁中搀杂Pd来避免其概况氧化，以此来提高其活性。研究发现纳米零价铁附着在活性炭上（NZVI/AC）对Cr（VI）的去除几近可以到达100%，并且还可以削减在水中的损掉。其二，在纳米零价铁中增添不变剂来避免其团圆。例如Kanel等用聚丙烯酸作为不变剂对纳米零价铁进行改性，以此来提高纳米零价铁的不变性。

别的，操纵孔布局的材料作为纳米零价铁的载体可以提高其分离性和避免其概况氧化。Lv等将纳米零价铁与多壁碳纳米管合成复合物用在水中Cr的去除，纳米零价铁颗粒分离在多壁碳纳米管概况或孔内，从而操纵多壁碳纳米管的高比概况积和孔布局特征来降服纳米零价铁易被氧化和易团圆的困难，同时多壁碳纳米管的插手还提高了纳米零价铁去除Cr的效力。Shi等操纵孔布局的膨润土对纳米零价铁进行改性来降服纳米零价铁易被氧化和易团圆的困难，而且操纵膨润土改性过的纳米零价铁对电镀废水中的Cr、Pb和Cu的去除高达90%以上。Dong等操纵生物炭比概况积年夜、布局不变并且轻易取得等特征将其作为纳米零价铁的负载体来提高纳米零价铁的分离性，其次生物炭概况年夜量的含氧官能团提高了纳米零价铁与生物炭合成的复合材料的吸附机能，复合材料对Cr（Ⅵ）的去除效力比单一的纳米零价铁更高。别的，相干研究注解海泡石具有非凡的概况特征和化学不变性而且本钱较低，是以将海泡石作为纳米零价铁的载体往来来往除地下水中的Cr（Ⅵ）和Pb（Ⅱ），研究发现它不但改良了纳米零价铁的团圆机能并且能高效去除地下水中的良多重金属。

1.1.2 铁氧化物

铁氧化物制备简单、本钱低，此中磁性铁氧化物还具有易分手特征，因此将其利用在水处置范畴去除重金属的研究良多。铁氧化物首要有三种，带磁性的Fe3O4和γ-Fe2O4，和不带磁性的α-Fe2O3。Shipley等合成了磁铁矿纳米颗粒，并将其用在水（水中含磷酸盐和碳酸盐）中砷的去除，研究发此刻磷酸盐和碳酸的存鄙人，磁铁矿纳米颗粒依然可以或许将水中的砷去除。Roy等合成了磁赤铁矿纳米管用往来来往除水中Cu2+、Zn2+和Pb2+，它被认为是很有前景的一种磁性纳米吸附剂。Karami还将磁铁矿制备成棒状布局，用在去除水中的重金属离子（例如Fe2+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Cu2+）。另外，对铁氧化物进行改性来提高铁氧化物的机能和对水中重金属的去除效力也被普遍研究。Ge等操纵3-氨基丙基三乙氧基硅烷和丙烯酸和巴豆酸的共聚物对Fe3O4纳米颗粒进行改性并用在水中Pb2+、Zn2+、Cd2+和Cu2+的去除，改性提高了Fe3O4纳米颗粒的分离性，而且研究注解改性以后的Fe3O4纳米颗粒对Cu2+的去除比未改性之前高一倍摆布。

1.1.3 硫化铁

FeS因其怪异的份子布局和概况化学机能[Fe（Ⅱ）和S（-Ⅱ）作为电子供体使FeS成为主要的还原剂]在重金属修复范畴起很主要的感化。Liu等将制备的FeS用在水中Hg2+的修复研究，研究成果注解0.4g.L-1的FeS在20min内对1mmol.L-1的Hg2+溶液的去除率高达100%（pH为5.6），此中77%是经由过程共沉淀反映去除，23%是吸附感化。FeS对水中As（Ⅲ）一样具有高效的去除效力，Gallegos等研究发现0.1~40g.L-1的FeS悬浮液在pH为5~10的前提下可以高效地去除浓度为1.3×10-5mol.L-1的As（Ⅲ）。由于FeS怪异的机能，FeS还经常使用在水中Ni、Cr、U（Ⅵ）等的去除研究。

1.2 碳基纳米材料

1.2.1 碳纳米管

碳纳米管是一维碳纳米材料，首要由呈六边形摆列的碳原子组成一层或数层的同轴管。碳纳米管具有很年夜的比概况、很高的光密度、高介孔与中空布局，而且碳纳米管与污染物份子之间的感化力很强。是以，碳纳米管作为吸附剂被普遍利用在水污染中处置重金属。Di等研究发现碳纳米管对水中Cr（Ⅵ）有很高的去除效力和吸附容量，碳纳米管在溶液pH为7.5时对水中Cr（Ⅵ）吸附容量最高（吸附容量为20.56m.g-1）。因为纯碳纳米管对重金属的吸附容量不敷高，并且没有选择性，是以对碳纳米管进行改性被普遍研发。Wa半岛体育ng等用硝酸对碳纳米管进行处置（处置时候别离为1、2、6、10h）并将其用在去除水中Pb（Ⅱ），研究发现颠末硝酸处置的碳纳米管比未经硝酸处置的碳纳米管吸附容量年夜，并且跟着处置时候的增加吸附容量变年夜直到6h后趋在不变，研究成果注解酸处置6h后，碳纳米管的吸附容量为91mg.g-1，而未经酸处置的碳纳米管的吸附容量仅为7.2mg.g-1；颠末硝酸处置以后在碳纳米管的结尾和缺点部位构成了良多含氧官能团，这有益在碳纳米管对Pb（Ⅱ）的去除。Li等研究发现颠末H2O2、KMnO4和HNO3处置的碳纳米管对Cd（Ⅱ）的吸附是未处置碳纳米管的2~10倍，这是由于颠末H2O2、KMnO4和HNO3处置事后碳纳米管概况多了含氧官能团。

除对碳纳米管进行酸处置以外，还可以对碳纳米管进行嫁接官能团来提高其吸附容量。例如Chen等经由过程向碳纳米管概况嫁接聚丙乙烯来提高碳纳米管对Co（Ⅱ）的去除率。向碳纳米管概况嫁接3-巯基丙基三乙氧基硅烷、2-乙烯基吡啶、氨基和硫醇基等官能团一样能提高碳纳米管对水中重金属的去除率。用金属氧化物对碳纳米管进行改性也是提高碳纳米管重金属去除率的一种方式。良多研究将铁氧化物、铝氧化物和锰氧化物等用在碳纳米管的改性。Ntim等将铁氧化物和碳纳米管复适用在水中As（Ⅲ）和As（V）的去除，研究成果发现复合物比单一的碳纳米管的去除效力超出跨越近100倍。

1.2.2 石墨烯

石墨烯是由碳原子以sp2杂化体例而构成的蜂窝状平面薄膜，是厚度唯一一个原子层厚度的二维碳材料，它是除金刚石外所有碳晶体的根基构成单位，此中sp2杂化是由统一层的一个s轨道与3个p轨道中的两个构成，是一种比力常见的轨道杂化体例。石墨烯二维延展性很好、比概况积很年夜且概况含有良多含氧官能团，可以很好地捕获金属离子，而且可以作为良好的改性载体而合成机能良好的复合材料。是以，石墨烯在情况范畴也获得了普遍的存眷，例如水中重金属的污染处置。

固然石墨烯对水中重金属的去除有优势，但因其难以从水平分离，和纯真石墨烯对重金属的去除率较低，是以良多学者都是将石墨烯进行改性以后再用在水中重金属的去除。将石墨烯与磁性纳米颗粒（如Fe3O4、Fe2O3等）合成复合材料可使其从水平分分开。Zhu等用热分化法将核壳布局的Fe2O3负载在石墨烯上合成磁性石墨烯复合物（MGNCs），并将其用在水中Cr（Ⅵ）的去除，研究注解磁性石墨烯不但去除效力提高，并且可以快速将其从水平分分开。Chen课题组将Fe3O4纳米颗粒与石墨烯复适用往来来往除水中Co（Ⅱ）和Cu（Ⅱ），研究注解，此复合物对重金属的去除效力高，而且可以快速从水平分分开。在石墨烯概况嫁接一些聚合物来固定金属离子也能够到达去除水中重金属的目标。Madadrang等在石墨烯概况嫁接乙二胺四乙酸（EDTA）聚合物合成EDTA-石墨烯，用在水中Pb（Ⅱ）去除，研究成果注解嫁接EDTA后对水中Pb（Ⅱ）的去除率提高了，而且此复合物还可以反复操纵，避免了二次污染。Liu等在石墨烯概况嫁接新型的胸腺嘧啶来提高对水中Hg（Ⅱ）的去除。Zou等将石墨烯与Mn3O4耦合构成三维空间布局来提高对Sb（Ⅲ）和Sb（V）的去除。

1.2.3 活性炭

活性炭是碳基材料里面很常见的一种吸附剂，活性炭具有孔布局、年夜比概况并且本钱较低而遭到普遍利用，也是贸易化很高的一种吸附剂。今朝，有人将活性炭用在水中重金属的去除研究，例如对Pb、Cu、Cr、Cd、Zn等的去除。从理论研究来讲，活性炭对重金属的吸附结果其实不是很好。是以，良多人对活性炭的改性进行了研究以此来提高活性炭的吸附结果。Yao等操纵硝酸对活性炭进行改性后用在水中Pb（Ⅱ）的去除，FTIR测试成果注解硝酸改性以后的活性炭概况的含氧官能团增添了。Ge等经由过程在活性炭概况嫁接丙烯酸合成活性炭复合材料，概况改性以后活性炭对Cd（Ⅱ）的去除率到达98.5%，并且去除效力也很高。

1.3 纳米金属氧化物

1.3.1 锰氧化物和其改性复合物

纳米级锰氧化物具有多晶型布局和较高的比概况积，是以有很高的吸附性。Zhang等制备了柱状Al2O3改性的p-MnO2将其用在水中Pb（Ⅱ）的去除（制备进程见图1），并与δ-MnO2和Al2O3进行吸附机能对照，研究发现，改性以后的p-MnO2比概况积变年夜，吸附结果更好，吸附曲线合适双吸附模子，而δ-MnO2和Al2O3均合适Freundlich模子；而且在其他离子存在的环境下，柱状Al2O3改性的p-MnO2对Pb（Ⅱ）的吸附具有选择性。Bo等经由过程水热法合成了内核为MnO2外层为Mg-Al的纳米材料，并将其用在水中Pb（Ⅱ）的去除，研究发现0.05g纳米材料在pH为4的室温下对浓度为50mg.L-1的Pb（Ⅱ）溶液去除率为96.73%，其吸附合适二级动力学模子，是以锰氧化物对水中Pb（Ⅱ）有很高的去除率。Gheju等将MnO2用在水中Cr（Ⅵ）的去除，研究成果显示，MnO2对Cr（Ⅵ）的去除在1h以后到达均衡，其去除效力会跟着酸度的增添而提高，温度升高对吸附进程起到负面影响，并且在HCO3-、SO42-和H2PO4-离子的存鄙人吸附进程遭到了按捺，研究成果申明MnO2对Cr（Ⅵ）的去除机理首要是静电吸拥护特异性吸附。Mallakpour等用化学超声法合成了聚乙烯醇（PVA）/α-MnO2-硬脂酸复合膜用在水中Cd（Ⅱ）的去除，研究成果注解PVA/α-MnO2-硬脂酸复合膜是去除水中Cd（Ⅱ）的一种机能极好的吸附剂，吸附动力学合适二级动力学方程。

1.3.2 铝氧化物和其改性物

铝氧化物也是去除水中重金属的一种传统吸附剂，首要包罗α-Al2O3和γ-Al2O3两种氧化物情势。单一的铝氧化物去除机制为吸附，并且去除效力低，是以，后来良多研究集中在铝氧化物的改性。例如操纵化学或物理的体例将含有某些供体原子的官能团（如，双硫腙、1，10-菲咯啉、2，4-二硝基苯肼）连在铝氧化物概况，以此来改良铝氧化物对重金属的吸附机能。其去除机制首要是这些官能团极易与金属离子构成络合物，从而到达去除重金属的目标。例如，Afkhami等研究发现2，4-二硝基苯肼（DNPH）在十二烷基硫酸钠包裹的铝氧化物概况进行改性可以提高对水中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Co（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的去除效力。Zhang等用铁氧化物纳米颗粒沉积在花型铝氧化物概况进行改性，制备出单分离性的γ-Al2O3/Fe（OH）3纳米花复合物，研究发现铁氧化物纳米颗粒的改性提高了纳米复合物的比概况积和孔体积，从而提高了复合物概况吸附点位的密度，是以对水中As（Ⅴ）和Cr（Ⅵ）有很高的去除率，同时他们还在材料概况增添了年夜量的羟基官能团，羟基可以作为螯合位点将氧的孤对电子赐与金属离子从而构成配位键，是以可以进一步提高对As（Ⅴ）和Cr（Ⅵ）的去除率。Jazi等操纵有机物来改性SiO2-Al2O3以此来提高Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除效力。另外，Mahmoud等用红?酚作为螯合剂制备了分歧类型的杂化有机-无机铝氧化物研究地下水Cr（Ⅲ）、Fe（Ⅲ）、Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的去除，研究发现杂化有机-无机铝氧化物对水中重金属离子有很高的去除能力和选择性。研究者经常使用有机物在氧化铝概况嫁接官能团来改性其去除重金属离子的能力，改性以后的氧化铝经由过程配位键吸拥护离子互换往来来往除水中重金属。

1.3.3 TiO2

尽人皆知，TiO2是典型的n-型半导体，当小在385nm的波长照耀二氧化钛时，价带电子遭到激起会领导带跃迁，是以会构成电子（e-）-空穴（h+）对，所构成的电子具有还原反映，能还原具有高还原电位的重金属离子；空穴具有氧化反映，能无选择性地氧化有机污染物；别的，空穴碰到水会发生强氧化的OH，OH进一步与污染物产生氧化反映（例若有机物）。TiO2光催化降解有机污染物的研究报导良多，今朝有研究发现TiO2也能够与重金属离子产生光催化还原反映，以此来修复水体中重金属污染。例如，Cai等研究了TiO2中空小球对Cr（Ⅵ）的去除影响，成果显示在光照下，TiO2中空小球能将高毒的Cr（Ⅵ）还原为低毒的Cr（Ⅲ）。Zhao等将TiO2纳米颗粒附着在氧化还原石墨烯概况，制备了rGO-TiO2纳米复合物，用在研究水中Cr（Ⅵ）的去除，研究成果与Cai类似，光照下，rGO-TiO2纳米复合物将高毒的Cr（Ⅵ）还原为低毒的Cr（Ⅲ），这首要是由于TiO2高的光催化活性，rGO下降了TiO2的电子-空穴重组，提高了还原效力。

TiO2也会作为吸附剂往来来往除水中重金属，例如，Luo等研究了TiO2对铜冶炼废水中砷的去除，研究成果显示TiO2的高吸附容量和化学不变性可以下降污水中重金属浓度并且不会发生污泥，这个成果合用在全球铜冶炼行业。Maleki等用聚酰胺-胺树枝状年夜份子改性后的TiO2来吸附去除工业污水中的重金属（如Cu2+、Pb2+和Cd2+），研究成果注解所制备的吸附剂对工业污水中的重金属具有很好的吸附结果，颠末年夜份子改性以后，吸附点位增添了，吸附机能提高。

1.3.4 其他氧化物

除上述常见金属氧化物外，ZnO也常被用来作为吸附剂高效去除水中重金属。Modwi等制备Cu搀杂ZnO往来来往除水中Pb（Ⅱ），研究发现该纳米材料对水中Pb（Ⅱ）有很高的吸附机能。Ma等操纵新的方式合成了ZnO/PbS异质布局纳米材料用在去除水中Pb（Ⅱ），此纳米材料可以有用避免二次污染。Sun等研究了CeO2微球对水中Cr（Ⅵ）的去除，成果显示CeO2微球对Cr（Ⅵ）的去除率可到达94%。Cui等经由过程超声方式制备MgO纳米片来吸附水中硒离子，研究成果显示MgO纳米片对水中Se（Ⅳ/Ⅵ）有很高的去除率。

1.4 聚合物纳米材料

聚合物纳米材料最早是为凝胶色谱而开辟利用的。它具有庞大的比概况积、完善的机械强度、可控的概况化学成份和孔径布局，而且它可再生。是以，聚合物纳米材料又被用在药物传递、光学和水处置。聚合物纳米材料对重金属的去除具有选择性，可是它吸附容量较低。是以，聚合物纳米材料常与其他颗粒连系往来来往除水中重金属，以使其机能更优化。Kumar等经由过程悬浮聚合合成聚合物，并在聚合进程中搀杂Fe和Al双金属，合成的复合物用在去除水中As（Ⅴ）和F离子。他们研究了分歧搀杂比例对水中As（Ⅴ）和F离子去除的结果。研究发现铁搀杂在聚合物中可以提高As（Ⅴ）的去除效力，铝搀杂在聚合物中可以提高F离子去除效力，而二者同时搀杂在聚合物中可以同时提高水中As（Ⅴ）和F离子的去除效力。Wei等操纵污泥中细胞外聚合物（EPS）往来来往除水中Cu2+和Zn2+。他们别离对从活性污泥、厌氧颗粒污泥和厌氧絮凝污泥中提取的聚合物进行了研究。研究发现，Cu2+比Zn2+更轻易被吸附；从厌氧颗粒污泥中提取的EPS比从活性污泥和厌氧絮凝污泥中提取的EPS活性更强。聚合物纳米材料固然可以去除水中重金属，可是它还面对着一些挑战，例如去除重金属的选择性和收受接管本钱等。是以，聚合物纳米材料的研究任重而道远。

1.5 壳聚糖类纳米材料

壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是一种由几丁质脱乙酰感化而获得的一种聚合物。壳聚糖概况含有活性羟基和氨基，这些活性基团作为活性连系点位可以经由过程静电吸引力与重金属连系，是以，壳聚糖对重金属具有很高的吸附性。可是，壳聚糖由于酸不变性低，机械强度不足、热不变性低、传质阻力小而且孔隙率和比概况积较低而使其利用遭到限制。是以，对壳聚糖的改性研究降服了这些问题，提高了水中重金属的去除率。由于纳米材料具有小尺寸效应，是以良多研究将壳聚糖和纳米材料连系来进行改性。Liu等将纳米零价铁包覆在壳聚糖（CS-nZVI）顶用在去除水中Cr（Ⅵ），其去除机理首要是壳聚糖的高吸附性和纳米零价铁的高还原性，纳米零价铁可以将Cr（Ⅵ）还原为毒性较低的Cr（Ⅲ）。Vaishnavi等制备壳聚糖-磁铁矿纳米复合材料用在去除水中Cr（Ⅵ），壳聚糖-磁铁矿纳米复合材料对Cr（Ⅵ）的吸附效力比纯真壳聚糖的吸附效力超出跨越4倍。Mallakpour等用碳酸钙纳米颗粒改性壳聚糖来提高其热不变性、疏水机能和去除Cu（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的效力。

2 纳米材料去除重金属机理

2.1 物理吸附感化

吸附感化是纳米材料去除水中重金属的首要体例。纳米材料因比概况积年夜而具有很高的吸附效力。纳米材料对水中重金属的吸附感化分为物理吸拥护化学吸附。物理吸附首要是纳米材料经由过程份子间的感化力（如范德华力、静电引力等）来吸附重金属。例如具有年夜比概况的碳纳米管首要经由过程范德华力与静电吸引力等份子间的感化力将重金属离子固定在碳纳米管概况，从而到达去除重金属的成果，机理见图2。Li等研究发现石墨烯与Fe3O4复合纳米材料去除水中Cu（Ⅱ）的机制首要也是经由过程物理吸附感化。Gheju等研究发现MnO2去除水中Cr（Ⅵ）首要是经由过程静电吸附和特异性吸附，吸附曲线合适伪二阶吸附模子。Chen课题组研究发现Fe3O4纳米颗粒与石墨烯复合物去除水中Co（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）的机理首要是石墨烯和Fe3O4纳米颗粒的共吸附感化，其吸附进程是吸热和自觉的，而且吸附曲线遵守Langmuir等温

线，吸附机制见图3。

2.2 化学吸附感化

化学吸附是经由过程电子转移或电子对共用构成化学键或概况配位化合物等体例发生的吸附。能与重金属离子产生化学吸附的纳米材料概况常含有羟基、氨基、羧基等官能团，这些官能团能与重金属离子构成螯合物，或可以与重金属离子构成离子键与共价键，从而到达去除重金属的结果。Mallakpour等用聚乙烯醇（PVA）将α-MnO2进行概况羟基改性来研究水中Cd（Ⅱ）的去除，由于PVA含有羟基，羟基可以作为螯合位点将氧的孤对电子赐与Cd（Ⅱ）金属离子从而构成配位键，以此到达去除水中Cd（Ⅱ）的目标，去除机制见图4。Afkhami等研究发现2，4-二硝基苯肼（DNPH）改性的铝氧化物可以提高水中Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Cr（Ⅲ）、Co（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的去除效力首要是由于纳米铝氧化物概况的2，4-二硝基苯肼可以与金属离子构成共同物，从而对重金属离子去除率较高，机理见图5。壳聚糖聚合物概况的活性羟基和氨基也能够和水中重金属离子构成共同物往来来往除水中重金属离子。Vaishnavi等研究发现壳聚糖-磁铁矿纳米复合材料去除水中Cr（Ⅵ）的机理首要是：（1）壳聚糖概况带正电的氨基团作为金属的活性连系位点与带负电的重铬酸根离子[Cr（Ⅵ）首要以Cr2O72-、HCrO4-、CrO42-和HCr2O7-的情势存在在水溶液中]发生静电吸引；（2）Cr（Ⅵ）与Fe3O4概况吸附的H+产生离子互换，去除机理图见图6。一般来讲物理吸附和化学吸附在纳米材料去除重金属离子的吸附进程可能会同时存在。

2.3 氧化还原感化

具有还原性质的纳米材料去除多价重金属的进程中常陪伴着氧化还原反映的产生。例如毒性较高Cr（Ⅵ）常被还原为毒性较低的Cr（Ⅲ）。纳米零价铁是零价，活性高，是很好的还原剂，是以，纳米零价铁去除水中重金属离子的机制除吸附感化还还原感化。Qu等将纳米零价铁负载在活性炭纤维（ACFnZVI）上往来来往除水中Cr（Ⅵ），研究发现ACF-nZVI纳米复合物的去除机制有：（1）活性炭纤维和纳米零价铁的物理吸附感化；（2）纳米零价铁的还原感化。反映系统中，纳米零价铁概况的电子与Cr（Ⅵ）产生反映生成Cr（Ⅲ），然后生成的Cr（Ⅲ）吸附在ACF-nZVI纳米复合物概况去除，此中活性炭纤维充任电子转移介质。Han等研究发现零价铁与零价铝的夹杂物（ZVI/ZVAl）用在处置废水中的Cr（Ⅵ）、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+的去除机理首要有四种感化体例：（1）ZVI/ZVAl对重金属的还原感化是首要的去除机制，ZVAl可以还原五种重金属离子，ZVI只能还原Cr（Ⅵ）和Cu2+；（2）ZVI/ZVAl经由过程吸附感化去除重金属离子；（3）重金属离子可以构成氢氧化物沉淀，经由过程共沉淀的体例去除；（4）可以经由过程电子转换去除，去除机制见图7。FeS布局中Fe（Ⅱ）和S（-Ⅱ）作为电子供体使FeS成为主要的还原剂，在去除重金属离子进程中阐扬主要感化。例如Hyun等制备FeS去除水中U（Ⅵ）的机理首要就是FeS的还原感化。

2.4 光催化还原

TiO2作为主要的光催化剂，在光照的前提下，价带的电子遭到激起会领导带跃迁，是以会构成电子（e-）-空穴（h+）对，所构成的电子具有还原反映，能还原具有高还原电位的重金属离子，例如TiO2可以将Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ）。其去除机理为：年夜在TiO2禁带能级的光能照耀到TiO2概况，使TiO2价带里的电子遭到激起而跃迁到导带，跃迁至导带的电子会将Cr（Ⅵ）还原为毒性较低的Cr（Ⅲ），机理示意图见图8。Zhao等研究发现TiO2纳米颗粒与氧化还原石墨烯复合而成的rGO-TiO2纳米复合物在光照下可以将高毒的Cr（Ⅵ）还原为低毒的Cr（Ⅲ），这首要归功在TiO2高的光催化活性，rGO下降了TiO2的电子-空穴重组，提高了还原效力，其去除机理分三步：（1）Cr（Ⅵ）经由过程静电感化力附着在rGO-TiO2纳米复合物的概况；（2）经由过程光照在rGO-TiO2纳米复合物的概况发生的电子与Cr（Ⅵ）产生还原反映生成Cr（Ⅲ）；（3）Cr（Ⅲ）经由过程rGO-TiO2纳米复合物资子化概况与Cr（Ⅲ）的静电斥力或rGOTiO2纳米复合物概况负的去质子化概况与Cr（Ⅲ）的静电引力释放到水溶液中，去除机理图见图9。

2.5 共沉淀感化

纳米材料对水中重金属的去除机理除上述的吸附感化和还原感化外，还共沉淀去除机理。Han等研究发现纳米零价铁与零价铝的夹杂物在去除废水中的Cr（Ⅵ）、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+的进程可与重金属离子构成氢氧化物沉淀，从而到达去除重金属的目标。Liu等将纳米零价铁与Mg（OH）2合成一种新型纳米材料用在去除水中Pb（Ⅱ），研究发现Pb（Ⅱ）可与水中OH-生成Pb（OH）2经由过程共沉淀的体例去除，其去除进程见公式1~5，其机理图见图10。Liu等研究发现，FeS首要经由过程共沉淀的体例去除水中Hg2+（共沉淀体例为FeS+xHg2+xFe2++（HgxFe1-x）S（0 x≤1））。

一般来讲，去除水中重金属的去除机理是多种去除机制配合感化而至，例如，Han等研究发现零价铁与零价铝的夹杂物去除水中的Cr（Ⅵ）、Cd2+、Ni2+、Cu2+和Zn2+的去除机制包罗还原进程、吸附进程、氢氧化物沉淀和电子转换。Liu等研究发现纳米零价铁与Mg（OH）2合成的新型纳米材料去除水中Pb（Ⅱ）的机制不但有共沉淀，还Pb（Ⅱ）被纳米零价铁还原的进程和Pb（Ⅱ）被吸附的进程。Liu等研究发现纳米零价铁包覆在壳聚糖（CS-NZVI）中去除水中Cr（Ⅵ）的去除机理包罗壳聚糖的高吸附性和纳米零价铁的高还原性。

3 影响纳米材料去除重金属的身分

3.1 溶液pH值

溶液pH值是影响纳米材料去除水中重金属的身分之一。溶液pH值分歧，纳米材料对重金属的去除效力也分歧，其去除机理也会有所分歧。Dong等研究发现纳米零价铁改性的生物炭去除水中Cr（Ⅵ）的去除效力会因pH的分歧而分歧，pH为5时去除效力为35.3%，pH为9时仅为17.6%，并且跟着pH值升高去除效力会下降，是以酸情况有助在重金属的去除，这是由于在一系列的还原反映中都有H+的介入（反映式以下），另外一方面，低pH下，纳米材料概况带正电，加强了纳米材料与Cr（Ⅵ）的静电吸引力。Roy等研究发现磁铁矿纳米管对Cu2+、Zn2+和Pb2+的去除率会随pH的升高而升高，然后趋在不变，这是由于高pH情况会让金属离子以氢氧化物的情势沉淀下来；别的，高pH情况有益在吸附剂概况的去质子化，去质子化的增强会使吸附剂概况负电荷点位增添，从而加强了吸附剂概况与Cu2+、Zn2+和Pb2+的吸附，而低pH情况下正电荷点位较多，是以吸附剂概况与Cu2+、Zn2+和Pb2+存在排挤力，从而下降了去除效力。Di等研究发现碳纳米管对Cr（Ⅵ）的去除效力在pH低在7.5时去除率可达90%以上，在pH=8时敏捷降落，这是由于pH低在7.5时，碳纳米管概况带正电荷，对带负电荷的Cr（Ⅵ）去除率较高，在pH高在7.5时，碳纳米管概况带负电荷，以此会和Cr（Ⅵ）构成斥力，从而下降Cr（Ⅵ）的去除效力。是以，pH是影响纳米材料去除重金属离子的一个主要身分。

3.2 重金属浓度

重金属离子浓度分歧，不异前提下纳米材料对其吸附结果也会分歧。Lv等研究发现，在不异尝试前提下，纳米零价铁与碳纳米管的复合纳米材料对Cr（Ⅵ）的去除效力会跟着Cr（Ⅵ）浓度的增高而下降[Cr（Ⅵ）浓度规模为10~60mg.L-1]，这是由于固定量的复合材料概况的活性点位是固定的，是以跟着Cr（Ⅵ）浓度的升高复合材料的去除效力会降落。Dong等研究发现纳米零价铁改性的生物炭去除水中Cr（Ⅵ）的去除效力会跟着Cr（Ⅵ）浓度的分歧而分歧，研究发现Cr（Ⅵ）浓度为2~10mg.L-1时，单元去除容量跟着Cr（Ⅵ）浓度的升高而升高，Cr（Ⅵ）浓度为10~40mg.L-1时，单元去除容量跟着Cr（Ⅵ）浓度的升高而下降，这是由于Cr（Ⅵ）是一种强氧化剂，也是一种nZVI的钝化剂，当Cr（Ⅵ）离子接近铁粒子时，nZVI会被氧化并掉去其还原能力，从而致使单元去除能力降落。

3.3 吸附时候

一般来讲，吸附初始阶段，纳米材料对重金属离子的去除率会跟着时候的增添而增添，当到达吸附均衡以后，去除效力就不再转变。Chen等研究发现聚丙乙烯改性的碳纳米管去除Co（Ⅱ）的去除效力在30min之前会跟着时候的上升而升高，到30min到达最年夜值，以后趋在安稳，这是由于纳米材料的吸附点位和重金属离子的浓度是固定的，当吸附点位到达饱和后，纳米材料与重金属离子就不会再有感化。Lv等研究发现纳米零价铁与碳纳米管的复合纳米材料对Cr（Ⅵ）的去除效力刚最先会跟着时候的增添而增高，继而到达最年夜值趋在安稳。Li等研究四氧化三铁与石墨烯复合物对水中Cu（Ⅱ）的去除效力随时候的转变，研究成果与上述的成果类似，刚最先复合物对Cu（Ⅱ）的去除效力随时候的增加而升高，随后趋在安稳到达均衡。

3.4 温度

在纳米材料去除水中重金属时，溶液的温度会对去除效力发生影响。Wang等研究发现当温度从15℃升高至25℃时，纳米零价铁与石墨烯复合物对As（Ⅲ）和As（V）的去除率逐步升高，跟着温度的进一步升高，去除效力最先下降，这多是由于温度升高时离子的迁徙速度会增年夜，或是温度高在30℃时概况络合与静电感化力下降。Ge等研究发此刻反映温度为303.2~333.2K时，丙烯酸改性的活性炭复合材料对Cd（Ⅱ）的吸附容量随温度的升高而升高。Zhao等研究发此刻温度为293.15~333.15K时，β-MnO2对Pb（Ⅱ）的去除率跟着温度的升高而升高，这多是由于全部吸附进程为吸热反映，温度升高有助在吸热反映的产生。

3.5 纳米材料的影响

纳米材料浓度巨细会对重金属离子的去除发生影响，一般会跟着纳米材料的浓度增高去除效力会升高。例如Gupta等研究了改性多壁碳纳米管的用量对Hg（Ⅱ）去除的影响，成果发现跟着改性多壁碳纳米管用量的增添，Hg（Ⅱ）的去除率也会逐步增添，这是由于Hg（Ⅱ）浓度固定的环境下，纳米材料用量增添，其概况活性点位也会增添。Xu等也发现β-MnO2对Pb（Ⅱ）的去除率跟着β-MnO2浓度的升高而升高。纳米材料的概况性质会对重金属的去除机理发生影响，例如纳米材猜中含有活性较高的零价纳米颗粒或还原性较高的材料时，这些纳米材料对重金属的去除常陪伴着还原反映，Han等研究发现零价铁与零价铝的夹杂物对水中重金属的去除机制首要有还原进程、吸附进程、氢氧化物沉淀和电子转换。

FeS作为一种主要的还原剂，FeS和其复合物对重金属的去除也常陪伴还原反映。纳米材料概况含有有机物和羧基、氨基或羟基官能团时，其去除机制常陪伴有化学配位反映或概况络合反映。如Mallakpour等制备的聚乙烯醇（PVA）/α-MnO2-硬脂酸复合膜对水中Cd（Ⅱ）的去除机制首要是由于PVA含有的羟基作为螯合位点与金属离子构成的配位键，是以，其去除机理首要是螯合和离子互换。纳米材料晶型也会对水中重金属去除有影响。Xu等将α-MnO2、β-MnO2和γ-MnO2三种晶型的MnO2用在水中Hg0的去除，研究发现不异前提下，γ-MnO2对水中Hg0的去除机能高在β-MnO2，而α-MnO2对水中Hg0的去除机能又高在γ-MnO2。Liu等制备纳米零价铁包覆在壳聚糖（CS-nZVI）用在去除水中Cr（Ⅵ），其去除机理首要是壳聚糖概况的氨基与重金属离子的络合感化和纳米零价铁的高还原性。

3.6 其他影响身分

除上述影响纳米材料去除重金属的身分外，还离子强度、其他离子配合存在等的影响。离子强度暗示溶液中布景电解质的浓度，会影响双层的厚度和界面电位，进而影响材料与吸附物资的连系。按照Hayes和Leckie的理论，电解质浓度对吸附的影响可以反应吸附类型。当布景电解质对吸附影响年夜时，可猜测为β面吸附，不然为ο面吸附。Lv等研究注解离子强度从0增添至0.05时，纳米零价铁与碳纳米管的复合纳米材料对Cr（Ⅵ）的去除效力会逐步升高，揣度为β面吸附，跟着离子强度继续升高至0.1，纳米零价铁与碳纳米管的复合纳米材料对Cr（Ⅵ）的去除效力下降，这是由于Cl-的竞争吸附；另外Lv等研究还发此刻其他阴离子存在的环境下，会下降复合纳米材料对C（rⅥ）的去除效力。Chen等研究发现离子强度对聚丙乙烯改性的碳纳米管去除Co（Ⅱ）的影响与pH有关，在低pH下，非论离子强度几多，聚丙乙烯改性的碳纳米管对Co（Ⅱ）都表示出了弱亲和力，高pH下，聚丙乙烯改性的碳纳米管对Co（Ⅱ）的去除不会跟着离子强度的改变而改变，只有在pH值5.5~8.0时，Co（Ⅱ）的去除率才会跟着离子强度的升高而下降。Zhao等研究发现β-MnO2对Pb（Ⅱ）的去除率不受离子强度的影响，对pH的依靠性较强，是以其吸附机理是概况络合而不是离子互换。Zhang等研究发此刻离子强度较低的环境下，增添共离子浓度可以加强柱状Al2O3改性的p-MnO2对水中Pb（Ⅱ）的去除。

表1为文中所述几种纳米材料的优错误谬误和去除重金属的机理对照。从表1中可以看出，纳米材料对重金属的去除机理首要是范德华力，静电彼此感化等物理吸附，概况嫁接有机物官能团时会陪伴化学配位吸附或离子互换，概况用单质金属改性后会陪伴还原反映。单一的纳米材料去除效力低或没有选择性，是以对纳米材料的改性是解决这个问题的方式。从表1中还可以看出，改性纳米材料制备方式复杂，本钱较高，不合用在工程利用。是以，若何下降纳米材料的本钱，简化制备纳米材料的法式，而且提高去除重金属的效力是此后的研究热门。

4 瞻望

纳米材料比概况积年夜，概况活性位点多，是以对水中重金属具有很高的吸附效力。可是，纳米材料颗粒小，轻易团圆和氧化，需要将其进行改性或与其他材料进行复合，这无疑增添了材料制备的本钱和修复重金属的时候和经济本钱，是以，今朝纳米材料的研究年夜多仍是在尝试室规模内，现实工程规模内的利用还存在良多局限性。

按照国表里纳米材料对重金属污染去除的研究近况和动态，将来纳米材料修复水体重金属污染应从以下几个方面睁开：

（1）充实操纵纳米材料比概况积年夜、去除效力高档特点，加年夜经济高效的纳米材料的研究以替换今朝贸易中效力低的吸附剂；

（2）展开纳米材料的生态情况平安研究，和成立纳米材料利用尺度，避免在利用纳米材料修复污染情况的同时又带来新的污染问题；

（3）今朝纳米材料的制备方式相对繁琐，原材料费用较高，应鼎力研究制备简单、本钱较低的纳米材料来利用在水中重金属的修复；

（4）尝试研究方面，可鼎力展开重金属与有机物或多种重金属结合吸附的研究；

（5）可将纳米材料去除重金属与其他重金属修复结合利用，将纳米材料的长处与其他方式的长处连系起来。纳米材料是一个新兴范畴，其在现实利用中的长处不容小觑，是以只要对峙研究，降服纳米材料在利用中的难点，纳米材料就会有广漠的利用前景

（编纂：Wendy）