孙博洋
北京工业大学，100022
重金属污染是目前睡污染中一个严重的问题。工厂生产废水排入江河，废水中富含的大量重金属离子通过食物链富集，最终会危害人的健康。处理重金属污水的方法有许多种，有化学沉淀、 离子交换、吸附、电化学、膜分离、生物法等。其中生物法处理重金属废水有利于生态环境的彻底改善，但此种方法真正大规模投入实际应用需要基因工程、分子生物学等技术的进一步发展。与其他方法相比，吸附法的工艺过程相对简单，能耗、操作费用和原材料成本均相对较低。氧化镁和纳米氢氧化镁是良好的吸附剂，原料易得，颗粒比表面积大，吸附作用好，但是粉末材料易对水体造成二次污染。我们针对解决二次污染问题的同时保证吸附效果这一目标通过创新寻找解决方案。
我们的技术矛盾预方案分析是：如果增大污水处理材料的体积，那么容易回收，能避免二次污染，但是比表面积减小，吸附效率降低。同理，如果减小污水处理材料的体积，那么比表面积增大，吸附效率提高，但是不易回收，造成二次污染。由此得出优化的功能是静止物体的体积，劣化的功能是物体产生的有害因素。通过矛盾矩阵查表得到的原理是30（柔性壳体和薄膜）。解决方案设计为利用有一定通过性的薄膜包住氢氧化镁粉末，仅允许分子或离子通过，粉末无法通过，可以在粉末体积较小的情况下，使粉末容易回收，不易造成二次污染。
物理矛盾：是粉末颗粒的大小。也就是粉末颗粒既要大又要小。当粉末颗粒较大时，更容易回收，不易造成二次污染，但其比表面积小，污水处理效率低；当粉末颗粒较小时，其比表面积大，污水处理效率较高，但不易回收，易造成二次污染。解决方法——一维变多维：运用多维结构，把纳米级氢氧化镁粉末通过加工手段组成一些数量级更大的结构，这样回收更方便，并且氢氧化镁粉末的处理效率不会降低（微纳结构）。
问题矛盾：利用氢氧化镁处理污水，氢氧化镁吸附重金属离子，生成的重金属氢氧化物因其比重小，且易碎成小颗粒，沉降速度慢，往往在沉降分离过程中随水流外溢，使处理后的废水浊度升高，重金属离子含量仍然超标，造成了二次污染。
总的来说就是氢氧化镁吸附重金属离子生成重金属氢氧化物难以去除对水体造成污染，在化学场中，对水体产生有害作用。
解决方案：通过引入S3（廉价）来消除有害作用。我们引入了S3薄膜，将粉末净水材料包裹在薄膜中，这样一定程度上解决了粉末净水材料回收困难，造成二次污染的问题。
我们查阅到关于净水材料的专利数量并不多，2020年只有大约230项，从1995年开始出现，近几年增加较快，因为我国的环保产业可以说还在起步阶段，有待进步。根据专利数目的统计结果，我们初步判断净水材料目前处于成长期或者说处于婴儿期到成长期的转折阶段。我们选择的技术进化法则是动态性进化法则：用磁场去除微小的氢氧化镁颗粒（增加可控性）。这个也是我们选取的最终方案。还有一个是子系统不均匀进化法则：由于在纳米氢氧化镁过滤材料中，材料的吸附效率已经很优秀，但是将其从水中滤除的技术还不成熟，这就造成了矛盾。所以采用更高级的纳米膜过滤技术来解决这个问题。
设计方案采用四氧化三铁与氢氧化镁复合。方案可行性我们根据材料学四要素从四个方面进行了分析。首先是性能方面。解释为什么采用这种磁性复合材料，它有什么优势?
1、从净水的方式——吸附法，也就是化学沉淀法来说，操作简单碱性中和剂来源广泛易得，自动化程度高，并且去除重金属离子种类较多等优点，因而被较为广泛的用于处理含重金属的废水。中和沉淀法在实际应用中也存在着一些不足的地方，比如容易造成二次污染等问题。
吸附法因其具有高效、节能等特点而被广泛应用，是深度处理水中重金属污染的主要方法。吸附法按吸附机理来区分，主要可分为物理吸附作用及化学吸附作用二种。在实际含重金属废水的处理过程中，反应过程中往往不止存在一种吸附作用，通常是物理吸附和化学吸附二种吸附作用同时存在，且共同作用的。
磁性复合材料有哪些优势：纳米磁性粒子有巨大的表面能, 在热力学上不稳定, 有自动聚集的趋势, 并由于自身磁性的原因相互交联成链状或网状的结构; 纳米磁性粉体本身所具有的特殊性质, 其表现出的磁性也促进了粒子与粒子之间的团聚行为。
就是把吸附了重金属离子和杂质的磁性复合材料用磁铁吸出来，原理很简单。我们还对一些对材料的性能有影响的因素进行了分析，比如说初始浓度对净水效果的影响，与水体接触时间的影响，还有pH值和脱附再生效果，共存阳离子等等各种因素的影响。
然后是结构层面：从微观的层面分析生产这种复合材料的可行性。也就是四氧化三铁与纳米氢氧化镁结合的原理。这种材料本质上是一种核壳材料，纳米氢氧化镁颗粒包裹微米四氧化三铁，而包裹的原理是静电相互作用。在水环境中，由于Fe3O4含有大量Fe和O原子，当Fe3O4溶于水后，溶液的pH由6.5升高至9.5，说明Fe3O4有更多机会吸附溶液的H+在其表面形成-OH，导致Fe3O4表面带负电荷。氢氧化镁表面有很多Mg2+所以带正电荷，颗粒间产生相互作用（库仑力）使Fe3O4表面包裹一层Mg(OH)2。
根据计算结果，我们得出氢氧化镁四氧化三铁复合材料的磁力是远大于其自身所受重力的，所以我们认为利用磁场回收氢氧化镁四氧化三铁复合材料是可行的。
最后介绍材料的一些制备工艺：
种子沉积法
种子沉积法是将Fe3O4粒子分散在氨水溶液中，用MgSO4制备Mg(OH)2晶体，在结晶过程中，四氧化三铁Fe3O4粒子分散在Mg(OH)2基体中形成磁性复合材料。氨水的浓度会影响复合材料的结构。当氨水浓度过高时，氢氧化镁结晶太快，四氧化三铁无法及时分散到磁性复合材料内部，同时氢氧化镁晶片较小，无法对四氧化三铁进行很好的束缚导致四氧化三铁大量吸附在氢氧化镁表面。当氨水浓度过低时导致氢氧化镁结晶速度太慢而没有把四氧化三铁固定在氢氧化镁内部。
机械球磨法
机械球磨法是在球磨过程中，氧化镁粉末、四氧化三铁粉末与研磨球及研磨罐之间发生激烈碰撞，产生大量热量使得氧化镁与水反应生成纳米氢氧化镁，将四氧化三铁包裹。
溶剂热法
溶剂热法是将FeCl3·6H2O、MgCl2·6H2O同时在溶液中反应，使生成的Fe3O4分散在Mg(OH)2中，得到Fe3O4@Mg(OH)2复合材料。
研究结论
Fe3O4@Mg(OH)2复合材料在性能方面复合净水材料的标准，吸附能力正常。制备也并不困难，有多种方法，原料易得。在结构方面，四氧化三铁和氢氧化镁的结合是可行的，而且经对磁力的计算，磁力大于自身重力。二次污染问题也得以解决。
参考文献
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