淺談納米材料在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

丁紅軍，冉茂衛(wèi)，閻錫坤

（鄭州清源智能裝備科技有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

通常而言，納米材料主要是指在三維微觀結(jié)構(gòu)之中，至少存在有一處一維處于納米尺度1 ～100nm 的材料。與一般的材料相比較而言，納米材料具有這樣幾個(gè)特征，一是表面積大，二是反應(yīng)活性較高，三是吸附能力較強(qiáng)，四是應(yīng)用范圍較廣，較為廣泛的應(yīng)用在建筑材料、生物醫(yī)藥、能源等諸多方面。當(dāng)前在信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展作用之下，納米材料的制備技術(shù)得到了逐步完善和提升，納米材料技術(shù)也被更多的應(yīng)用在了各大科學(xué)領(lǐng)域，從某種程度上來(lái)說(shuō)，這給科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了革命性、歷史性的變革。而在此過(guò)程之中，納米材料在水處理應(yīng)用領(lǐng)域之中，被推廣得更加的普遍，也更加的有前途。

2 納米吸附材料

近年來(lái)，廣大科學(xué)研究者對(duì)納米吸附技術(shù)進(jìn)行了深刻的研究和更加深入的探索，在不斷探索和應(yīng)用的過(guò)程之中，大量有效的研究成果被發(fā)表了出來(lái)。納米吸附劑的主要類別包括五大方面，主要表現(xiàn)在金屬納米粒子、碳納米材料、金屬氧化物納米粒子、硅納米材料、納米黏土、納米纖維和氣凝膠。在此之中，最為常用的納米顆粒是碳納米管和金屬氧化物。當(dāng)前在技術(shù)發(fā)展的社會(huì)前提之下，納米材料存在的最為普遍的問(wèn)題，就是很難從水溶液中分離。由此導(dǎo)致的二次污染也相對(duì)嚴(yán)重，這還會(huì)進(jìn)一步影響重金屬的生物有效性發(fā)展和流動(dòng)性變通，如若處理不當(dāng)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在的環(huán)境毒性作用。在當(dāng)前，納米材料如若被應(yīng)用在水處理領(lǐng)域，面臨的一大挑戰(zhàn)就是材料的經(jīng)濟(jì)性以及材料的可再生性。要想更好的應(yīng)用這種材料，就必須要不斷的開(kāi)發(fā)，研究各種改性材料，探索出更好的研究方向。

3 納米催化劑

現(xiàn)階段，納米催化劑在廢水處理領(lǐng)域依然受到了廣泛的注意，研究者對(duì)納米催化劑的探索腳步也從未止步。當(dāng)然，能夠用在廢水處理領(lǐng)域的納米催化劑，主要有這樣幾個(gè)方面，光催化劑、電催化劑、分敦基催化劑和具有抗菌性能的催化劑是其典型的代表。如下是對(duì)納米催化劑類別的具體內(nèi)容闡述。

3.1 納米光催化劑

納米光催化劑，顧名思義，就是基于光能與金屬納米粒子在相互作用前提之下的反應(yīng)作用，由于對(duì)各種污染物具有廣泛的催化活性，因此備受廣大研究學(xué)者的關(guān)注和各大污水處理領(lǐng)域的青睞。納米光催化劑的工作機(jī)理是在光照作用之下，溶液中的催化劑激發(fā)電子產(chǎn)生作用，在傳導(dǎo)程度之下，產(chǎn)生空穴和激發(fā)電子。在水這一液體介質(zhì)之中，空穴被水分子逐步捕獲，從而產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基。羥基自由基能夠?qū)⒕哂谐志眯缘挠袡C(jī)污染物進(jìn)行再度處理，比如印染廠排出的染料物質(zhì)、生活污水中的洗滌物質(zhì)，農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程之中的農(nóng)藥以及揮發(fā)性的物質(zhì)，羥基自由基能夠?qū)U水中的有機(jī)物氧化，并能夠?qū)怏w進(jìn)行吸附處理。如圖是納米銀誘導(dǎo)水生植物在光合作用過(guò)程中產(chǎn)生活性氧的示意圖。透過(guò)圖文可以展示出納米光催化劑的作用機(jī)理，以及對(duì)活性氧的消釋。

圖1 納米銀誘導(dǎo)水生植物在光合作用過(guò)程中產(chǎn)生活性氧的示意圖

就當(dāng)前研究和開(kāi)發(fā)的各種納米光催化劑種類之中，二氧化鈦在紫外線作用之下，具有高反應(yīng)活性和化學(xué)反應(yīng)性，因具備這兩大顯著特征，由此成為了光催化劑中應(yīng)用最為廣泛的催化劑重要組成部分之一。與此，如出一轍的是氧化鋅與二氧化碳有其相似性，因而也能夠被廣泛地應(yīng)用，同時(shí)也得到了普遍的研究。

3.2 光催化劑被作為抗菌劑

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中排出的污水、生活過(guò)程之中排出的生活污水以及其他的廢水含有的細(xì)菌物質(zhì)數(shù)量較多，在排出之后，對(duì)水資源的污染程度也是不可忽略的，而針對(duì)此，光催化劑被應(yīng)用在污水處理之中，對(duì)病原均等的有毒害物質(zhì)，就能夠起到更好的抑制作用。同時(shí)納米二氧化鈦具有較高的抗菌能力，這也是其廣泛研究的原因之一。但在現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中，由于納米二氧化鈦的粉末難以從水體中與之相分離，因此在應(yīng)用時(shí)，也具有一定的應(yīng)用難度。對(duì)此，就需要提供更加高效的抗微生物活性的納米材料，而有效解決這一問(wèn)題的途徑在于更進(jìn)一步固定納米顆粒，從而有效增加納米材料的表面積，讓納米材料表面積有效增加，提升污水處理能力。光催化劑被作為抗菌劑，有效影響納米光催化劑的因素是胞外聚合物載體，胞外聚合物載體在動(dòng)力學(xué)抗菌中具有較為重要的作用，這是由于胞外聚合物載體會(huì)與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)活性氧，從而催化劑的抗菌效率也會(huì)大大降低。從系列的論述來(lái)看，更進(jìn)一步去除胞外聚合物載體就能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)廢水消毒，同時(shí)有效去除胞外聚合物載體，對(duì)更加高效的去除光催化起到促進(jìn)作用。

3.3 納米材料是電催化劑的一種

納米材料在電催化記憶之中也有廣泛的應(yīng)用，在污水處理的過(guò)程之中，微生物燃料電池在催化的過(guò)程中，能夠在處理廢水、廢渣的同時(shí)，將一定的內(nèi)容物直接轉(zhuǎn)換為電能物質(zhì)。在將納米材料作為電催化劑使用時(shí)，能夠獲得更大，更寬的表面積，電催化劑在反應(yīng)介質(zhì)之中，通過(guò)均勻分布，從而有效改善燃料電池的性能作用，能夠有效獲得蓄電內(nèi)容物的反饋。目前在眾多的研究之中，大量的科學(xué)研究者對(duì)碳載納米電催化劑應(yīng)用在開(kāi)發(fā)燃料電池之中，做了較為科學(xué)縝密的探索。

4 納米膜

當(dāng)前較為先進(jìn)的污水處理技術(shù)之一，主要囊括了納米膜過(guò)濾技術(shù)。鄭州清源智能裝備科技有限公司在納米膜上聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)也做了深入的研究，該技術(shù)主要是對(duì)污水處理過(guò)程中的染料、重金屬以及其他污染物進(jìn)行分離，當(dāng)然，也可用于有機(jī)污染物的化學(xué)作用降解，從而讓污染物與有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分離。納米膜具有催化反應(yīng)性，高滲透性和抗污染性的性能特征。與其他相關(guān)處理技術(shù)相比較而言，納米膜過(guò)濾技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)，也更加高效，同時(shí)設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)單。納米膜的種類也包括多個(gè)方面，一是碳納米管膜，碳納米管最為顯著的特征就是低密度、高強(qiáng)度和高拉伸模量以及高韌度性；二是靜電紡絲納米纖維膜，這一纖維膜是近年來(lái)出現(xiàn)的較為新型的膜，與傳統(tǒng)技術(shù)以及與現(xiàn)有技術(shù)相比較而言，靜電紡絲納米纖維膜的顯著特征表現(xiàn)在孔隙度和表面體積比高、能耗低、成本低、工藝簡(jiǎn)單。由于具有較高的通量，因此在操作時(shí)，對(duì)操作壓力和容量的需求就相對(duì)較低，能夠?qū)ξ鬯恐械挠袡C(jī)物質(zhì)、鹽類物質(zhì)進(jìn)行去除。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍也變得更加的寬泛，致使更加廉價(jià)，更加高效的水處理技術(shù)得以普遍的應(yīng)用，但就當(dāng)前階段發(fā)展的過(guò)程而言，現(xiàn)有的水處理技術(shù)多適用于實(shí)驗(yàn)室研究，與實(shí)際的工程應(yīng)用需求仍然存在較大的差距。如此，加大力度開(kāi)發(fā)納米材料的批量化生產(chǎn)工藝就顯得尤為重要，不斷降低納米材料的應(yīng)用成本以及經(jīng)濟(jì)成本，由此更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)污染物水體的高效分離和再生，從而有效評(píng)估納米材料對(duì)水體環(huán)境的安全性，從而逐步讓納米材料在水領(lǐng)域中具有更加普適性的研究方向。