水,是生命的起源,也是一切生命赖以生存的基本条件之一。但是随着经济的快速发展,我国工业水平和生活水平不断提高,作为饮用水水源的许多江河、湖泊的水质状况不容乐观。我国国家控制断面水质监测数据表明,31.1%的江河流域,38.7%的湖泊饮用水源水质低于Ⅲ类水质标准,属于微污染水源。微污染水源含有的污染物种类比较多,可分为有机污染物和无机污染物两大类,无机微污染物质中的重金属、砷、氟等物质具有毒性大,易于在生物体内富集等特性,而且其浓度低,难以用常规水处理方法去除,给人们的饮水安全和生命健康带来了巨大的威胁。研究水体中微污染物质的去除方法和技术是饮用水污染控制与修复领域亟待解决的问题。适合水体中无机微污染物质去除的方法主要有吸附、离子交换、膜分离和生物修复等技术。吸附法由于操作简单、处理量大、去除效率高,是微污染饮用水深度处理的首选。实际应用中,多数吸附剂是针对高浓度的工业污染废水而言,不适合对低浓度微污染物质的去除,同时,传统吸附剂普遍存在对无机微污染离子选择性差的缺点。因而,开发研制成本价廉、去除效率高、易于分离回收、对环境友好的吸附材料是吸附法去除饮用水中微污染物质的关键所在。国内外学者一直致力于开发更为高效、低成本的吸附剂,但对各类吸附剂的吸附机理研究得还不透彻,所以,深入研究吸附材料结构、形貌特征以及对吸附性能的影响将将会成为未来的吸附剂领域的研究重点之一；同时,吸附剂的使用周期、处理效率和共存离子的影响等问题一直以来也制约着吸附法在水处理中应用和发展。天然纳米矿物材料是一类类似于纳米材料,具有巨大的比表面积,丰富的孔隙结构的天然吸附剂,而且,其来源广泛、价格低廉、吸附性能好、无二次污染。这些独特的结构和优良的特性为其在饮用水深度处理方面的应用提供了广阔的空间。但是,天然纳米矿物与人工合成的纳米材料相比,其活性点位较少,而且吸附完成后易于形成悬浮液体系,难以实现吸附剂的分离、再生。许多研究表明,以天然纳米矿物材料作为基体材料,将磁性微粒附载于矿物颗粒中可合成磁改性吸附剂,可在外加磁场的作用下实现吸附剂从悬浮液中的有效分离。总体而言,对具有纳米孔道和孔隙结构的天然纳米矿物进行开发和改性,开发制备新型纳米矿物吸附剂,是当前和未来吸附剂研究的热点之一。因此,本文综合考虑纳米矿物材料的优势和应用上的问题,针对饮用水中微污染物质的高效去除,研究天然纳米矿物材料的改性及其对水体中微污染物质的吸附性能,可以为新型纳米矿物吸附剂的开发和宏量制备提供理论支持和技术储备。本课题来源于国家重点基础研究项目课题《高效低成本饮用水净化纳米技术集成与示范》(2011CB933704)(应用纳米技术去除饮用水中微污染物质的基础研究),其研究主线是针对饮用水中无机微污染物去除的天然纳米矿物材料的改性制备技术。论文以去除饮用水中影响范围广泛、毒性危害大的铬、砷和氟三种无机微污染物质为目标,以埃洛石、海泡石两种具有大比表面积、丰富孔隙结构的天然纳米矿物材料为研究对象,通过结构设计和化学处理,将高吸附特性的磁性材料和高富集容量的天然纳米矿物材料有机结合,发展高选择性、高吸附容量、易于磁性回收的纳米复合材料；通过分析其形貌、物相组成和孔隙结构等特性,研究了纳米矿物吸附剂的结构参数与制备条件之间的内在联系；通过单因素实验,研究了改性后纳米矿物吸附饮用水中微污染物质的影响因素并探讨了其吸附机理。论文主要分为以下三部分：一、碱改性埃洛石吸附剂特性及其去除氟离子的性能研究为充分利用埃洛石纳米管独特的结构特性和表面羟基的吸附能力,本部分采用不同浓度NaOH在不同温度下处理纯化埃洛石,分别制备了管状、花状、片状碱改性埃洛石产物。重点研究了花状多级结构沸石的形貌、物相等特性,设计了溶液初始浓度、pH、吸附时间等单因素实验,探讨了沸石吸附剂去除氟离子的影响因素和吸附机理,结果表明：(1)通过XRD、透射电镜、核磁共振等表征方法,确定经过碱水热处理后的纯化埃洛石的结构发生了变化,形成新的沸石结构。纯化埃洛石和2wt%NaOH溶液经100℃水热反应后的产物为一维管状沸石,经120℃水热反应后的产物花状多级结构沸石。两者形貌上的差异主要是由于反应温度不同,各方向晶面的生长速度不同。纯化埃洛石和5wt%NaOH、10wt%NaOH溶液分别经100℃、120℃和150℃水热反应后的产物是片状结构沸石。(2)在沸石吸附氟离子的试验中,花状多级结构沸石吸附容量最高,可达到161.78 mg/g,片状结构吸附容量其次,可达122.02 mg/g,管状结构吸附容量最小,为95.97 mg/g。单因素吸附实验结果表明,花状多级结构沸石在强酸环境下表现出对氟离子最大的去除性能,去除能力随待测溶液中氟离子浓度上升而增强,吸附平衡时间为30min左右。其吸附过程符合准二级动力学模型和Freundlich等温线模型。氟离子在沸石表面的吸附过程属于多分子层吸附,同时伴随了类毛细管凝结凝结的现象,吸附速率控制步骤为化学吸附。二、磁改性埃洛石吸附剂特性及其去除铬的性能研究为高效率去除饮用水中的铬污染离子,同时实现对吸附剂从溶液中的回收分离,我们尝试了对埃洛石的低成本磁化改性。本章用埃洛石、葡萄糖为原料以水热合成方法制备了负载碳的埃洛石纳米管(HNT @C),然后将HNT @C和FeCl3水热合成Fe3O4/HNT@C磁性埃洛石吸附剂。实验中,我们重点分析了磁改性埃洛石吸附剂的物相组成、表面形貌、活性基团等性质,在此基础上研究了溶液初始PH值、吸附剂用量等因素对磁改性埃洛石吸附Cr(Ⅵ)的影响,利用X光电子能谱分析探讨了吸附分离过程的等温线模型、动力学模型和吸附机理,结果表明：(1)经过葡萄糖与HNT水热合成反应,无定形碳较均匀的覆盖在埃洛石纳米管的表面,形成了HNT@C中间产物,其表面含有丰富的含氧基团-COOH、C=O、C-OH和C=C等；经FeCl3与HNT@C的水热合成反应,Fe3O4积聚成300nm左右的微球,在HNT@C的端位生长,磁改性埃洛石吸附剂表面仍然存在大量的含氧基团。材料的饱和磁化强度(Mr)为24.5emu/g,说明合成的磁性埃洛石吸附剂可在外磁场作用下快速地分离和回收。(2)从HNT@C、Fe3O4/HNT@C吸附剂均对Cr(Ⅵ)表现出优异去除率和良好选择性。其吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温线吸附模型,理论吸附容量分别为136.98 mg/g、32.82mg/g。HNT@C复合材料吸附Cr(Ⅵ)是以表面络合、氧化还原和离子交换的协同作用机制。Fe3O4/HNT@C对Cr(Ⅵ)的吸附则是以还原作用、表面络合作用为主,同定在吸附材料表面铬的形态主要为Cr(Ⅲ)。三、磁改性海泡石吸附剂的特性及其去除砷的性能研究本部分我们研究了磁改性海泡石的制各及其对As(Ⅲ)离子的去除性能。实验用海泡石、葡萄糖为原料以水热合成方法制备了负载碳的海泡石纳米纤维(SEP@C),然后将SEP@C和乙酰丙酮水热合成负载碳的四氧化三铁/海泡石复合中问产物(Fe2O3/SEP@C), Fe2O3/SEP@C在250℃、500℃条件下煅烧分别制得y-Fe2O3/SEP@C、Fe2O3/SEP两种磁改性海泡石吸附剂。实验中,我们系统分析了磁改性海泡石吸附剂的物相组成、表面形貌、孔径结构等性质,在此基础上重点研究了磁改性海泡石吸附分离水体中As(Ⅲ)影响因素,探讨了吸附分离过程的等温线模型、动力学模型和吸附机理,结果表明：(1)中问产物Fe2O3/SEP@C在250℃煅烧产物为y-Fe2O3/SEP@C吸附剂,负载在海泡石表面无定形碳大部分被去除,Fe3O4颗粒转化成y-Fe2O3颗粒；Fe2O3/SEP@C在500℃煅烧产物为Fe2O3/SEP吸附剂,负载在海泡石表面无定形碳被去除,其铁氧化物是γ-Fe2O3和α-Fe2O3内混合物;磁改性海泡石具有丰富的介孔结构,其孔径较原海泡石明显增大,铁氧化物的存在导致其比表面积和孔容有所减小；磁性能分析表明,Fe2O3/SEP、 y-Fe2O3/SEP@C吸附剂的饱和磁化强度分别为29.53 emu/g、31.95 emu/g,说明制备合成的磁性海泡石吸附剂可在外磁场作用下快速地分离和回收。(2)在磁改性海泡石对As(Ⅲ)的吸附实验中,我们发现Fe2O3/SEP、γ-Fe2O3/SEP@C吸附剂能快速吸附分离溶液中的低浓度As(Ⅲ)离子,其最大吸附容量分别为38.62 mg/g、30.88 mg/g; Fe2O3/SEP适合中性微污染饮用水中As(Ⅲ)离子的吸附,且其吸附能力受共存阴离子的影响较大。碱性环境对γ-Fe2O3/SEP@C吸附As(Ⅲ)离子有明显的抑制作用,而当溶液中存在氟离子和磷酸根等阴离子时也会明显影响吸附剂对As(Ⅲ)的分离。(3)两种磁改性海泡石对As(Ⅲ)离子的吸附分离过程遵循Langmuir等温线模型和准二级动力学模型,是通过吸附剂对As(Ⅲ)离子的物理吸附和化学吸附实现的。一方面,附着在海泡石纳米纤维表面的γ-Fe2O3、Fe2O3颗粒改变了吸附剂的表面电性,为其提供了更多的活性点位,促进了吸附剂对As(Ⅲ)的吸附。另一方面,铁氧化物与亚砷酸根阴离子发生配位络合反应形成了对As(Ⅲ)的选择性吸附。