前言在水处理中，天然有机物（NOM）是最难去除的物质之一。这些物质可能导致水体出现不良的颜色、味道和气味，因此对水环境中NOM的结构和性质进行研究变得越来越重要。
此外，NOM还是氯化过程中产生的消毒副产物（DBPs）的主要有机来源，如三卤甲烷和卤代乙酸等。
NOM的特性可能会受到水源和周围环境的生物化学循环的影响而发生显著变化。例如，在强降雨、融雪、洪水和干旱等气候事件的影响下，NOM的有机结构范围可能会随着季节性变化。
为了深入了解原水中的NOM的复杂性和多样性，科学家们对其进行了详细的表征。根据它们在树脂吸附中的亲和性，NOM通常被划分为疏水性、中性和亲水性三类。
为了量化不同水体中NOM的活性，我们常用总有机物（TOC）、溶解性有机物（DOC）和254 nm紫外吸收（UV254）等参数作为代用指标。
疏水性NOM主要由腐殖酸和腐泥酸组成，其中富含一些活性功能团，例如酚类结构和共轭双键。而亲水性NOM则主要由脂肪碳和氮化合物组成，如羧酸、碳水化合物和糖类。
通过特定紫外吸收（SUVA）指标，我们可以判断样品的疏水性程度。高SUVA值表示有机物主要是疏水性的，而低SUVA值则意味着主要是亲水性有机化合物。
凝固是水中去除NOM的最常见方法之一。多价盐，如硫酸铝（明矾）和氯化铁（FeCl3），多年来广泛用于水处理。
凝固过程对去除疏水性NOM如腐殖酸非常有效，但对亲水性NOM的去除效果不佳。许多研究者提出了其他用于NOM去除的水处理技术，包括膜过滤和吸附技术（例如粉状活性炭和颗粒活性炭）。
一些研究实现了45-80%的NOM去除率，其中结合了凝固和吸附过程。虽然活性炭是水处理中最常用的吸附剂，但近年来碳纳米管（CNTs）作为一种有效的吸附剂，用于去除水中的重金属、化学物质和生物组分。一些研究表明，CNTs对不同类型的NOM去除也是有效的。
碳纳米管在许多功能领域的应用具有多个优点，包括水处理。然而，它们也可能对安全和环境造成重要影响。碳纳米管的释放到环境中可能对自然生态系统产生有害影响。
此外，碳纳米管可能会对DNA造成损害，一旦进入体内，可能对器官产生有害影响。当碳纳米管以足够水平进入人体或生物系统时，会产生生物效应。
碳纳米管还可能影响生化过程或细胞生物学过程，从而直接或间接影响生物系统。研究表明，碳纳米管可以通过皮肤、呼吸道或胃肠道进入人体。
它们可能沉积在体内的多个器官中，因此可能引发许多不利的生物效应。
碳纳米管（CNTs）与天然有机物（NOM）之间的相互作用可能会改变DBP（消毒副产物）形成的趋势。
除了与含氯消毒剂直接发生反应外，CNTs通过吸附能力将NOM浓缩在其表面上，从而可能影响DBP的产生。
合理地预期这些表面特性可能与化学消毒剂发生反应，产生对人体健康不利的副产物。其中许多被归类为潜在的人类致癌物，并受到全球多个国际监管机构的管制。
CNTs可能从水净化操作中泄漏到周围的水、土壤和空气中。纳米材料释放后可能经历光化学转化、氧化还原、溶解、沉淀、吸附和生物转化等多种生物地球化学过程。
它们在水基质中可以水解分解，并在光化学和生物氧化过程中被氧化。CNTs可能会与DNA、RNA、蛋白质和酶等多种生物分子发生反应，可能对水生动植物产生毒性作用，尤其是水生植物和动物。
纳米材料可以与腐植酸发生反应并形成纳米级涂层，这类似于哺乳动物系统中的蛋白质冠现象。
这些因素显著改变了碳纳米管（CNTs）的聚集、沉积和毒性特性。新的合成方法产生了碳纳米管的新特性，引起了政府的关注，因为它们对环境和人类健康的影响尚不确定。
CNTs的存在可能潜在地刺激水生和陆生环境中其他金属的氧化，并释放有毒离子。然而，有几种方法可以用于去除环境中的CNTs。
酶处理对在环境中释放的CNTs进行降解是有效的。有人提出了一种环保的酶法，用于降解和消除环境中的转化后的CNTs。
因此，在实验研究中使用的CNTs经过纯化后，CNT废物必须仔细用双层聚乙烯袋密封。
将含有CNTs的废物进行燃烧是首选的方法，因为在500°C以上的热解过程可以完全氧化CNTs。这些方法可以帮助控制和处理CNTs对环境和健康的潜在风险。
近年来，许多研究专注于碳纳米管（CNTs）及其吸附性能。CNTs吸附材料可以去除广泛的重金属、有机化合物和生物污染物，包括细菌和病毒。
CNTs对二恶英的去除效率显著高于活性炭。CNTs是优秀的氟吸附剂，比活性炭具有更强的吸附能力。
氯氧化钠氧化的单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）都是有效的锌离子吸附剂。CNTs（尤其是SWCNTs）是高效和快速去除乙苯的吸附剂。
今天我们将探究通过凝固与碳纳米管的结合，来去除饮用水源中的天然有机物（NOM）。我们研究了在明矾和氯化铁存在下，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管作为金属凝固剂的NOM去除效率。
为了确定不同季节下NOM的浓度，我们选择了重要的饮用水源——乌鲁坦湖水（ULW）进行实验。
在这项研究中，我们采用了一种新的水处理技术，利用单壁碳纳米管和多壁碳纳米管作为凝固材料，实现了对ULW中NOM的去除，这涉及了一种新的组合凝固工艺。
通过这些实验，我们旨在为饮用水处理中NOM的有效去除提供新的方法和技术。
分析下表展示了乌鲁坦湖水（ULW）中NOM季节性变化的影响。NOM的浓度通过代用参数DOC、UV254、SUVA和THMFP进行表征，这些参数提供了关于原水中NOM结构和反应性的信息。
在冬季观测到最高平均DOC浓度为5.44 mg/L，而夏季的最低浓度为4.89 mg/L。类似地，UV254的最高测量值为0.176厘米^-1，最低测量值为夏季的0.113厘米^-1。
通过SUVA参数（UV254吸光度除以DOC浓度），我们可以确定水中有机物的疏水性。冬季的高SUVA值（3.25 L/mg·m）表明水中的有机物主要由高分子量的疏水性有机材料组成。
而夏季的低SUVA值（1.88 L/mg·m）则显示乌鲁坦湖水中主要含有脂肪碳和氮化合物等亲水性有机物。
这些观察结果表明，乌鲁坦湖水中的NOM有机成分主要在冬季发生变化，这是由于雨后径流、山区融雪或洪水等自然因素的影响。
此外，在夏季，乌鲁坦湖水还可能受到沉积物、浮游生物和细菌遗留物的扩散，以及污水处理厂排放的影响。因此，乌鲁坦湖水主要含有高浓度的亲水性NOM，其分子量较低。
根据测量结果，冬季、春季、秋季和夏季的THMFP值分别为340.55、246.73、227.46和214.76 µg/L。这些发现表明，较高的DOC和UV254值会导致更多的THMs（三卤甲烷）产生。
在乌鲁坦湖水样本中，由于疏水性有机物与不同氯添加剂发生反应，相对于亲水性NOM，THM的浓度较高，这与SUVA水平相关。其他研究也得出了类似的结论。
凝固实验结果表明，在冬季时，由于单壁碳纳米管（SWCNTs）具有更大的表面积，它们通常比（MWCNTs）更有效地去除水中的疏水性有机物（NOM）。
尽管春季和秋季时，使用MWCNTs和传统凝固剂，进行的去除亲水性NOM的效果稍高，但在夏季，使用MWCNTs和氯化铁（FeCl3），可以去除大部分亲水性NOM。
通过联合凝固处理，可以显著提高乌鲁坦湖水样本中，溶解有机碳（DOC）和254纳米紫外吸收（UV254）的去除率。
当仅使用FeCl3进行凝固处理时，冬季的DOC去除率为63.05%，UV254去除率为68.75%。而在与FeCl3和SWCNTs联合使用后，去除率提高了约30%。
春季和秋季仅使用传统凝固剂时，去除率较低，而添加碳纳米管后，去除率显著提高。例如，春季仅使用FeCl3的DOC去除率约为50%，秋季约为44%，但添加单壁碳纳米管后，春季的去除率增加到83%，秋季增加到近77%。
夏季使用FeCl3和多壁碳纳米管时，可实现最大的DOC去除率（80.5%）和UV254去除率（84.6%）。
除了碳纳米管的物理特性可能发生变化外，由于季节性变化导致水源成分的改变，也可能对NOM的去除产生影响，并且这种影响可能与碳纳米管的类型有关。
在夏季，使用多壁碳纳米管（MWCNTs）进行混凝处理时，pH值较高（pH 8.11），而在冬季较低（pH 7.43）。
与单壁碳纳米管（SWCNTs）相比，夏季使用MWCNTs进行混凝处理时，DOC和UV254的去除率显著提高。下图比较了仅进行混凝处理和联合混凝处理时，DOC和UV254去除率的百分比。
冬季使用联合混凝处理时，DOC和UV254的去除率都在80%以上。然而，仅使用明矾或氯化铁时，去除率在50-70%左右。
对于所有季节，使用氯化铁和SWCNTs时，DOC和UV254的最高去除率分别为94.13%和96.14%（见下表）。
如下表所示，仅使用明矾时，夏季的DOC和UV254去除率最低，分别为27.29%和32.5%，其次为氯化铁（40.15%和46.83%）。
另一个影响NOM去除的重要水质参数是离子强度。由于乌鲁坦湖水（ULW）中NOM的化学和物理结构，在四个季节中增加的离子强度，导致了DOC和UV254的去除率增加。以前的研究对碳纳米管和NOM去除也得出了类似的观察结果。
结论利用碳纳米材料进行联合混凝处理，比传统凝聚剂在乌鲁坦湖水中去除NOM更有效。仅使用明矾或氯化铁进行混凝的亲水性NOM的去除率非常低，但通过联合混凝，去除率显著增加。
根据它们的相对表面电荷，当使用联合混凝过程时，碳纳米管在NOM去除方面更为有效。许多研究已经证实了这一发现。
由于对人体健康和环境有害，经过纯化的碳纳米管废弃物与实验室中的其他危险废物，一起被送往固体废物焚烧炉，在那里它们可以通过500°C以上的热解完全氧化。
因此，联合混凝过程可以在水处理厂中替代传统混凝，以有效去除NOM。
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