納米材料在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李菲+皇晉煜

（天津機(jī)科環(huán)保科技有限公司 天津 300192）

摘要：隨著水資源的日益緊缺和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求。近年來(lái)，納米技術(shù)和納米材料的迅速發(fā)展為水處理技術(shù)的革新提供了良機(jī)，引起了眾多環(huán)境科研工作者的廣泛研究。文章綜述了近年來(lái)納米材料在污染物吸附、膜分離等水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，系統(tǒng)闡述了各種納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、作用機(jī)理、影響因素、對(duì)水的處理效果等。

關(guān)鍵詞：納米材料；吸附；膜分離；光催化氧化

1納米材料的特性

1.1表面效應(yīng)

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化，球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著地增加。例如粒徑為10nm時(shí)，表面積為90m2/g；粒徑為5nm時(shí)，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm時(shí)，比表面積猛增到450m2/g。粒子直徑減小到納米級(jí)，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的表面積、表面能都會(huì)迅速增加。

1.2體積效應(yīng)

納米材料之所以在各領(lǐng)域中如此受青睞，原因之一就在于其體積相比其他材料要小得多，因此納米粒子中所含有的原子數(shù)相比之下也要少很多。所以，這也決定了其許多物理、化學(xué)方面的性質(zhì)與傳統(tǒng)的材料之間存在巨大的差異。傳統(tǒng)材料的粒子直徑大，所以其吸附、催化、燒結(jié)等與界面狀態(tài)相關(guān)的現(xiàn)象就與納米材料截然不同。所以，納米粒子在上述方面所表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)就不能以傳統(tǒng)材料的性質(zhì)來(lái)解釋，這些特殊的現(xiàn)象反映在納米材料上，則表現(xiàn)為其獨(dú)有的體積效應(yīng)。

1.3尺寸效應(yīng)

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)：（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)；（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)；（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)；（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

1.4量子尺寸效應(yīng)

該效應(yīng)指微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)殡x散能級(jí)。納米材料中處于離散的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性使納米材料具有一系列特殊性質(zhì)，如特異性催化，強(qiáng)氧化性和還原性。

1.5量子隧道效應(yīng)

微觀粒子貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用，如導(dǎo)電、導(dǎo)磁高聚物、、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。

2納米材料的吸附作用

在水處理領(lǐng)域，吸附法主要用于脫除水中的微量污染物。在處理流程中，常常作為膜分離、離子交換等工藝的預(yù)處理，以去除有機(jī)物、重金屬、膠體、余氯等，也可以作為深度處理，保證出水質(zhì)量。

2.1碳納米吸附劑

碳材料通常具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，其被廣泛應(yīng)用于污染物吸附方面的研究工作。目前常用的碳吸附材料包括活性炭、木炭等。碳納米管是一種新型的納米材料，隨著其制備技術(shù)的逐步完善，其在水處理領(lǐng)域應(yīng)用的研究也不斷深入，可以作為吸附劑去除有機(jī)物、重金屬等。

2.2金屬納米吸附劑

氧化鐵、二氧化鈦、氧化鋁等金屬氧化物是低成本、可有效吸附重金屬和放射性元素的吸附劑。吸附作用主要由溶解的金屬與金屬氧化物中的氧之間的絡(luò)合作用來(lái)控制。該過(guò)程的完成通過(guò)兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先是金屬離子被快速吸附到表面；之后的決速步是沿著微孔壁擴(kuò)散。納米級(jí)的金屬氧化物具有更高的吸附性能，緣于其具有更大的表面積，更短的擴(kuò)散距離及更多數(shù)量的表面作用位點(diǎn)。另外，磁性納米材料基于其特有的磁響應(yīng)性，金屬離子吸附劑時(shí)可以高效回收、使用方便、脫附簡(jiǎn)單。

3膜分離

膜分離是指以具有選擇透過(guò)功能的薄膜為分離介質(zhì)，通過(guò)在膜兩側(cè)施加推動(dòng)力，使原料中的某些組分選擇性的優(yōu)先透過(guò)膜，從而達(dá)到混合物分離和產(chǎn)物提取、純化的目的。該技術(shù)除大規(guī)模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產(chǎn)外，在城市污水處理、工業(yè)廢水處理與回用等領(lǐng)域已得到廣泛推廣和應(yīng)用。向膜體系中引入功能性的納米材料，能夠很大程度提升膜的滲透性、抗污染性、力學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

3.1納米纖維膜

納米纖維膜指由納米纖維組成的具有連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)的薄膜，這種膜通常由具有一定排列順序或無(wú)序的納米纖維沉積而成。一般可以通過(guò)電紡絲、自組裝、模板合成等方法制備。其中，電紡絲是一種可使用多種材料（例如聚合物，陶瓷，甚至金屬）制備納米纖維膜的簡(jiǎn)單、有效、低成本的方法，也是唯一一種實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的制備方法。通過(guò)電紡絲得到的納米纖維膜具有高的比表面積和孔隙率，其直徑、形貌、組成、空間排列都能進(jìn)行較好的控制。

3.2納米復(fù)合膜

通過(guò)向聚合物膜/無(wú)機(jī)膜中摻雜納米材料或者對(duì)其進(jìn)行表面改性，使膜兼具有納米材料的多種功能，是目前膜材料技術(shù)研究的熱點(diǎn)。通常采用的納米材料包括疏水的金屬納米粒子（如Al2O3、TiO2和沸石），抗菌納米材料（如納米銀和碳納米管）和光催化納米材料等。

4納米材料在水處理中的應(yīng)用

4.1納米材料在無(wú)機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

廢水中的有害物質(zhì)很多，尤其是重金屬，一方面它對(duì)人體能夠造成巨大的傷害，而另一方面它也是一種重要的資源，如果流失掉，就會(huì)造成資源的流失。其原理如下：具有毒性的無(wú)機(jī)物，無(wú)論是在高氧化狀態(tài)下還是在低氧化狀態(tài)下，都能被還原。而還原效果是在電子和空穴的作用下達(dá)到的，這利用了無(wú)機(jī)物在納米粒子表面的光化學(xué)活性，通過(guò)光催化作用來(lái)激發(fā)納米材料，從而產(chǎn)生電子和空穴，使有毒無(wú)機(jī)物被還原。納米二氧化鈦能夠吸附高氧化狀態(tài)下的重金屬離子，包括汞、鉑等，然后在光生電子的作用下還原這些離子，使其變?yōu)榧?xì)小的金屬晶體。這些細(xì)小的金屬晶體能夠沉淀在催化劑的表面上，從而達(dá)到了消除污水毒性的目的，同時(shí)，又減少了貴、重金屬的流失，將其從廢水中回收。

4.2納米材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

有機(jī)廢水的處理包括以下四個(gè)方面：第一，對(duì)農(nóng)藥廢水的處理，主要是處理其中的含磷和含硫有機(jī)物，在處理過(guò)程中需要利用到納米二氧化鈦的作用，通過(guò)紫外線對(duì)其懸濁液的照射來(lái)將含磷和含硫的有機(jī)物無(wú)機(jī)化。第二，對(duì)化工廢水的處理，同樣需要用到二氧化鈦，利用其對(duì)氧化水中的苯類、酚類等有機(jī)污染物的光催化作用，使這些污染物被降解，從而達(dá)到消除有機(jī)物毒性的效果。第三，對(duì)染料廢水的處理，這主要是針對(duì)生產(chǎn)染料的工廠，排放的廢水中殘留著染料分子，這些廢水大多含有苯環(huán)、胺基、偶氮基團(tuán)等致癌物質(zhì)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。所以，在溶解氧的前提下，將納米二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?，水溶性偶氮就?huì)在光催化的作用下被降解。第四，對(duì)造紙廢水的處理，其原理與染料廢水的處理相似，都是通過(guò)二氧化鈦的光催化作用使酸堿性的廢水被降解。

4.3納米材料在自來(lái)水凈化處理中的應(yīng)用

納米二氧化鈦除了其降解功能外，還具有殺菌的能力，因此，它可以被用來(lái)對(duì)自來(lái)水做凈化處理。在對(duì)飲用水進(jìn)行凈化時(shí)，水中的有機(jī)物總量能夠減少許多，有的種類能夠被完全去除，而有的種類其濃度能夠被大大的降低，從而使自來(lái)水得到凈化。在凈化過(guò)程中，還能夠?qū)ψ詠?lái)水殺菌，從而使水的質(zhì)量得到保障。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，納米材料具有其獨(dú)有的特性，包括表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等。正是因?yàn)榧{米材料的這些特性，使其在水處理工業(yè)中能發(fā)揮出其功效，使各種污水中的有害物質(zhì)被消除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的凈化作用。

參考文獻(xiàn)：

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