碳纳米管拥有丰富的纳米孔隙结构和巨大的比表面积，使其具有优良的吸附性能，不仅能处理铅、镉和铬等重金属及氟离子等非金属无机化学毒物，还能有效地去除水中的有机化学毒物如苯胺、酚类和三卤甲烷等。例如，经硝酸处理过的碳纳米管对Pb2+的吸附量可达到15.6mg/g；纯化的碳纳米管、对镉离子的去除率达到93.6%。碳纳米管表面的缺陷和无定形碳给氟的吸附提供了活性位置，而碳纳米管的管间和管内很多微孔结构也可以有效地吸附氟离子，所以碳纳米管对氟的吸附十分有效，而且可适应的pH值范围也很广。另外，使用酸氧化过的碳纳米管对三卤甲烷的吸附量很稳定，能够在短时间内吸附相当多的三氯甲烷。
虽然碳纳米管在水处理中表现出优异的性能，但由于碳纳米管管径小、表面能大，在聚合物中易团聚，分散性较差，一旦团聚，吸附位减少，对水环境中污染物质的吸附降解能力就严重受影响。因此近些年的研究更多地转向了其复合材料，并已取得了一定的进展。
据报道，用电泳沉积法将碳纳米管固定在零价铁薄片的表面上，并煅烧合成材料使其稳定，用这种材料处理亚甲基蓝，可使最终降解率接近98%，比单独的碳纳米管的降解效果好。研究表明，该复合材料显著提高了反应速率，是因为在水中形成了无数微小的铁碳原电池。除了高反应性能，铁-碳纳米管复合材料还表现出非同寻常的稳定性，能够长时间运行而无剥落的碳纳米管管片。这种稳定性归功于铁溶出时铁碳的接触以及碳纳米管层的紧密链接。这种材料有望成为进行水体修复的一种有巨大应用前景的材料。
用六水三氯化铁负载到多壁碳纳米管上制得的复合材料在消除砷污染方面很有效。被广泛应用于家禽养殖业以提高饲料利用率和控制疾病传染的洛克沙砷是一种有机砷，其最终随禽类粪便排入水生或陆生环境，最后降解为无机砷造成了水环境严重的砷污染。碳纳米管可有效去除三氯苯酚和多环芳烃等有机物，而铁离子能提高砷离子对水的亲和性，因此新的复合材料综合了以上两种物质的优点，其比表面积为146.39m2/g，中孔容积为0.392cm3/g。这种复合材料对洛克沙砷的吸附量比相同条件下多壁碳纳米管更高。
另据报道，将一定浓度的硼氢化钠溶液滴入硫酸亚铁溶液和碳纳米管的混合液中，并与氯钯酸钾溶液混合,可得到钯铁双金属-碳纳米管复合材料。这种材料可以有效吸附降解二氯苯酚（一种持久性污染物），而且在20小时后仍然保持高脱氯效率，3天后几乎所有二氯苯酚均脱氯成为苯酚。其中碳纳米管可以重复利用，只要钯铁存在，脱氯过程就会持续进行。（钢研）


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