一种创新的石油精炼废水净化方法：光催化功能化多壁碳纳米管（MWCNTs）的作用

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Innovative approach to purifying petroleum refinery wastewater: The role of photocatalytic functionalized MWCNTs

本研究利用功能化多壁碳纳米管（f-MWCNTs）作为光催化剂处理炼油废水，通过超声辅助氧化合成，并采用FTIR、XRD、FESEM和zeta电位分析验证其高效吸附和催化性能。实验表明，在阳光照射下吸附容量达55.55 mg/g，降解效率为71.5%；结合DPSS激光（532 nm）可提升速率常数至0.0115 g·mg?1·min?1，降解效率达80.91%，证实该技术环保、高效且可持续。

　　

艾哈迈德·A·哈迪（Ahmed A. Hadi）| 罗瓦·A·法里斯（Rawaa A. Faris）| 胡代尔·A·K·阿尔-鲁达伊尼（Khudhair A.K. Al-Rudaini）| 扎伊纳布·F·马赫迪（Zainab F. Mahdi）

伊拉克阿尔穆萨瓦（Al Samawah）阿尔穆塔纳大学（Al Muthanna University）基础教育学院科学系，邮编66001

摘要

利用光催化技术处理炼油厂产生的废水提供了一种新的、环保的方法。多层功能化碳纳米管（f-MWCNTs）作为这种方法的催化剂，并利用阳光作为能源。材料与方法：通过超声波辅助氧化法，使用来自萨马瓦炼油厂的废水原液合成f-MWCNTs。为了验证该方法的有效性，我们采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和Zeta电位测量技术，结果表明f-MWCNTs的化学反应性和吸附能力得到了提升。这些数据表明，大规模生产能够满足日益增长的需求。

引言

炼油厂产生的废水是一个严重的环境问题，因为其中含有多种有害化学物质，包括多环芳烃（PAHs）、苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX），以及酚类和残余油烃[1]、[2]。这些化合物难以被自然分解，会在水体中积累，对环境和人类健康造成长期危害[3]、[4]、[5]。同时，挥发性BTEX化学物质会污染空气并损害神经系统。此外，酚类物质会干扰水生生物的酶活性，减少水中溶解氧的含量，破坏生态平衡[6]、[7]、[8]、[9]。在原油加工过程中，还会产生钒、镍、铅、铬和镉等金属污染物[10]、[11]。即使这些金属的浓度很低，也会对动物造成严重危害，如增加氧化应激、干扰基因表达和影响生长发育[12]、[13]、[14]、[15]。此外，废水中的硫酸盐、氯化物和表面活性剂会降低农业产量，增加水质盐度并降低土壤肥力。因此，需要采用复杂的废水处理方法以实现最大程度的可持续性，同时避免对海洋环境造成损害。传统的废水处理方法通常耗能较多，并会产生大量污泥，对某些污染物（如化学氧化和生物降解）的处理效果不佳。目前，纳米技术领域正在开展大量研究，尤其是将具有高吸附能力的纳米颗粒与光电反应和结构稳定性相结合。基于碳的纳米材料具有显著的优越性：碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（graphene oxide）的衍生材料能够增加表面活性，促进与污染物的π-π相互作用[16]、[17]。这些材料可重复使用，并能与太阳能结合使用，从而降低处理成本，实现可持续的水处理。此外，它们还能通过氢键、静电相互作用以及氮基团和氧基团等改性结构提高污染物去除的选择性[18]、[19]、[20]、[21]。不仅多层功能化碳纳米管（C-f-MWCNTs）具有优异的结构特性，还能改善表面化学性质和光吸收能力，从而提高光催化效率。在阳光或DPSS激光（532 nm，120 mW/mm2）的照射下，这些材料可有效降解废水。

样品采集

样品采集

我们采用标准方法从萨马瓦炼油厂废水排放口获取了具有代表性的废水样本。样本被小心地保存在经过彻底冲洗的密封玻璃容器中。

所用材料

所用材料包括长度为10–30 μm、外径<8 nm、纯度>95%的多层碳纳米管（MWCNTs），以及过氧化氢（H?O?）、浓硫酸（H?SO?）和钠等试剂。

光学性质（UV–Vis, Tauc）

功能化MWCNTs的UV-Vis漫反射光谱显示其在可见光范围内具有强吸收特性，吸收峰约位于650 nm处。Tauc图分析表明其带隙约为2.75 eV，这意味着这些纳米管既能吸收紫外线也能吸收部分可见光，适用于光驱动技术（见图3）。

功能化MWCNTs的带隙较窄，说明其具有更好的光吸收能力。

结论

由于炼油厂废水中含有多种复杂污染物，因此其处理是一个重要的环境问题。本研究探讨了使用功能化多层碳纳米管（f-MWCNTs）作为光催化剂进行废水净化的效果。实验结果表明，经超声波辅助氧化法制备的f-MWCNTs在吸附和催化活性方面表现出优异性能，其光催化效果在阳光和DPSS激光（532 nm，120 mW/mm2）照射下得到了进一步验证。

作者贡献声明

扎伊纳布·F·马赫迪（Zainab F. Mahdi）：负责撰写、审稿和编辑。罗瓦·A·法里斯（Rawaa A. Faris）：负责初稿撰写。艾哈迈德·A·哈迪（Ahmed A. Hadi）：负责概念构思。胡代尔·A·K·阿尔-鲁达伊尼（Khudhair A. K. Al-Rudaini）：负责数据整理。

资金来源

本研究未获得任何政府、企业或非营利组织的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢阿尔穆塔纳大学基础教育学院科学系以及巴格达大学激光研究生研究所的支持。