擔心水裡有重金屬嗎？去除重金屬讓你用水更安心～ 複合性奈米鐵顆粒

擔心水裡有重金屬嗎？去除重金屬讓你用水更安心～ 複合性奈米鐵顆粒
國立臺灣大學環境工程學研究所研究生羅偉倫

工業化時代，工廠林立，各種工業化產品讓我們的生活更方便，但在方便的背後，卻是污染危機，其中重金屬污染更是常見的問題之一，它長久以來存在人類生活環境中。我們常可以看到水中含有重金屬污染的新聞報導，如何去除該污染，也成為現今一大課題。

現今工廠處理含重金屬污水的方法，大多是加入萃取劑，用「液相萃取」的方式將重金屬成分萃取出。液相萃取，是利用重金屬在不同溶劑中有不同溶解度的緣故，而將該重金屬由其中一溶劑移轉到另一溶劑的一種方法，通常這兩種溶劑必須互不相溶或是微溶，並且在密度上有差異，才好分離，不過這種方法實際上仍未能將重金屬單獨分離出來，萃取後通常仍需以蒸餾或其他方法才可以分離出重金屬。用萃取的方式還是有缺點，萃取液雖然可以提升重金屬的萃取效率，但在反應過程中，萃取劑會溶出到水相中，造成水污染並降低萃取效率。

因此，需要仰賴物化處理程序才能在短時間內快速的淨化受污染的水體，而「複合性奈米顆粒」便是近來被積極研究及應用的一種廢水處理方式。

所謂「複合性奈米顆粒」即是準備具有奈米尺寸及磁性性質的 顆粒，並且對顆粒表面進行改造，加上某些高分子有機物，該加入哪些有機物則視需要去除之物質決定，再利用高分子所具有的官能基（如胺基），螯合處理污水中的重金屬，在反應完後將複合性奈米顆粒取出，進行脫附，也就是將複合性奈米顆粒與那些被抓住的重金屬離子分離，此時複合性奈米顆粒便可以再次利用，不會浪費，下圖一為 $$\mathrm{Fe_3O_4}$$ 顆粒加上高分子有機物的示意圖。

Figure 1. $$\text{Fe}_3\text{O}_4$$ 顆粒與高分子有機物反應後之組成示意圖

合成 $$\mathrm{Fe_3O_4}$$ 顆粒的方法有許多種，其中，共沉澱法(co-precipitation)為較常被使用的方法之一，簡單來說，就是將二價鐵及三價鐵置於氨水中加熱反應，以氮氣進行曝氣，以確保水體中的氧氣逸散至大氣中；若曝氣不完全，則後續反應所生成的顆粒恐會以 $$\mathrm{Fe_2O_3}$$，也就是氧化鐵或俗稱的生鏽鐵的形式存在，而非本實驗所需磁性較強的 $$\mathrm{Fe_3O_4}$$ 顆粒，便會得到下列方程式

$$\mathrm{{Fe_2}^++2{Fe_3}^++8{OH}^-\rightarrow Fe(OH)_2+2Fe(OH)_3\rightarrow Fe_3O_4+H_2O}$$

複合性奈米鐵顆粒也因具下列兩項優點而被廣為使用：

1. 由於顆粒本身為奈米尺寸，本身表面積非常大，因此去除重金屬的效率非常高。
2. 待螯合反應結束後，此時奈米顆粒再用一外在磁場的磁力，便可將磁性奈米顆粒連同重金屬與水體分離，即可淨化水體。

但是為了去除重金屬，大部分研究都會在複合性奈米鐵顆粒外圍加上各種高分子以去除各種重金屬，也因為這原因，磁性可能會因為鍵結的化合物而降低原本磁力，磁力降低將導致顆粒與水體分離不易，可以想像成，將一層厚厚的塑膠膜包在一塊磁鐵外面，此時磁鐵的吸引力便大大減弱了；因此在加上高分子聚合物的過程中，選用哪一種高分子聚合物對顆粒的磁力影響亦須列為重要的參數之一，此外，因為顆粒的粒徑屬奈米層級，恐不易於處理廢水後以磁場進行顆粒回收，容易造成回收不乾淨。

複合性奈米鐵顆粒現在為一種新興的水處理方式，目前大部分應用於地下水整治，較少應用於廢水處理，雖然可以根據不同去除目標利用不同的高分子聚合物，但萃取所造成的二次污染問題，還尚待研究改進，其中使用後回收不易，仍常常會造成二次污染，也是需要改進的部分。

參考文獻

1. Lin, C.L., Lee, C.F. and Chiu, W.Y. (2005) Preparation and properties of poly (acrylic acid) oligomer stabilized superparamagnetic ferrofluid. Journal of Colloid and Interface Science 291(2), 411-420.
2. Berger, P., Adelman, N.B., Beckman, K.J., Campbell, D.J., Ellis, A.B. and Lisensky, G.C. (1999) Preparation and properties of an aqueous ferrofluid. Journal of Chemical Education 76(7), 943-948.
3. Deer, W.A., Howie, R.A. and Zussman, J. (1992) An introduction to the rock-forming minerals, Wiley, New York, NY.
4. Iram, M., Guo, C., Guan, Y.P., Ishfaq, A. and Liu, H.Z. (2010) Adsorption and magnetic removal of neutral red dye from aqueous solution using Fe3O4 hollow nanospheres. Journal of Hazardous Materials 181(1-3), 1039-1050.
5. Prasad, B., Ghosh, C., Chakraborty, A., Bandyopadhyay, N. and Ray, R.K. (2011) Adsorption of arsenite (As3+) on nano-sized Fe2O3 waste powder from the steel industry. Desalination 274(1-3), 105-112.
6. Wang, Y.H., Morin, G., Ona-Nguema, G., Juillot, F., Calas, G. and Brown, G.E. (2011) Distinctive arsenic (V) trapping modes by magnetite nanoparticles induced by different sorption processes. Environmental Science & Technology 45(17), 7258-7266.
7. Mohammadi, S.Z., Shamspur, T., Karimi, M.A. and Naroui, E. (2012) Preconcentration of trace amounts of pb (II) ions without any chelating agent by using magnetic iron oxide nanoparticles prior to ETAAS determination. Scientific World Journal.
8. Wang, P., Shi, Q.H., Shi, Y.F., Clark, K.K., Stucky, G.D. and Keller, A.A. (2009) Magnetic permanently confined micelle arrays for treating hydrophobic organic compound contamination. Journal of the American Chemical Society 131(1), 182-188.
9. Chen, Y.W. and Wang, J.L. (2011) Preparation and characterization of magnetic chitosan nanoparticles and its application for Cu(II) removal. Chemical Engineering Journal 168(1), 286-292.
10. Qu, Q.Q., Zhou, L., Zhao, S.G., Geng, H.J., Hao, J.J., Xu, Y.Y., Chen, H.L. and Chen, X.G. (2012) Self-templated synthesis of bifunctional Fe3O4@MgSiO3 magnetic sub-microspheres for toxic metal ions removal. Chemical Engineering Journal 180, 121-127.