淺談納米材料的特性及其在水處理工業中的應用

張秀麗

摘 要：納米材料自研發出來以后，因為其良好的物理特性和化學特性，使其在各個領域得到了廣泛的應用。其不斷的發展為生物、醫學等領域開辟了新的研究方向，并取得了很多優秀的成果。本文對納米材料的特性進行了總結，并對其在水處理工業中的應用進行了分析，希望能夠更好的將其應用在水處理工業中。

關鍵詞：納米材料；特性；水處理工業

納米材料的微觀結構決定了其獨有的特性，從而決定了其能夠在各個領域得到廣泛的應用。對納米材料的研究從未停止過，納米材料也處在不斷的發展中。根據納米材料的特性，將其應用于水處理工業中，能夠提升水的凈化效果，從而為人們提供更好的水質。

一、納米材料的特性分析

（一）納米材料的表面與界面效應

納米材料的特殊結構決定了其特有的性質，其表面與界面效應是指納米粒子性質上的變化，這個變化是由兩方面的因素引起的：一是粒子表面原子數與總原子數之間的比值；二是粒徑的變小，比值隨粒徑的變小有很大幅度的增大，從而引起了納米粒子性質的變化。這其中存在如下的關系：首先，假設球形顆粒的表面積為S，直徑為d，則S與d2之間是成正比的；其次，設球形顆粒的體積為V，那么V與d3也是正比關系。由此，我們便可以判斷S/V與d是成反比的，因此，如果納米粒徑變小，比表面積就會有很大幅度的增大。比如，d為20納米時，S/V為45m2/g；則d為10納米時，S/V為90m2/g；那么，如果d為4納米時，則S/V會有顯著的增大，為225m2/g。從中我們可以看出，d一直減小，直到納米級的時候，表面原子數會大量的增加。不僅如此，納米粒子的表面積和表面能增長速度也非常的快。

（二）納米材料的體積效應

納米材料之所以在各領域中如此受青睞，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相比之下也要少很多。所以，這也決定了其許多物理、化學方面的性質與傳統的材料之間存在巨大的差異。傳統材料的粒子直徑大，所以其吸附、催化、燒結等與界面狀態相關的現象就與納米材料截然不同。而傳統材料的原子數量是難以計數的，其性狀呈塊狀，而納米材料則不同。所以，納米粒子在上述方面所表現出來的性質就不能以傳統材料的性質來解釋，這些特殊的現象反映在納米材料上，則表現為其獨有的體積效應。

（三）納米材料的尺寸效應

小尺寸效應是宏觀物理性質的變化，而這一變化是伴隨著顆粒尺寸的縮小而引起的。納米材料的顆粒是非常小的，其尺寸越小，比面積則越大，從而決定了納米材料的一些特殊性質。比如，特殊的光學、熱學、磁學、力學等性質。除此之外，納米材料的超微結構所表現出來的小尺寸效應還包括超導電性、特殊的聲學特性等方面。

除了上述三種效應外，納米材料還具有量子尺寸效應和量子隧道效應等特性，這些特性在水處理工業中的應用都具有非常重要的現實意義。

二、納米材料在水處理工業中的應用

（一） 納米材料在無機廢水處理中的應用

廢水中的有害物質很多，尤其是重金屬，一方面它對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，就會造成資源的流失。納米材料之所以被應用于無機廢水處理中，是因為它能夠有效消除無機物的污染。其原理如下：具有毒性的無機物，無論是在高氧化狀態下還是在低氧化狀態下，都能被還原。而還原效果是在電子和空穴的作用下達到的，這利用了無機物在納米粒子表面的光化學活性，通過光催化作用來激發納米材料，從而產生電子和空穴，使有毒無機物被還原。納米二氧化鈦能夠吸附高氧化狀態下的重金屬離子，包括汞、鉑等，然后在光生電子的作用下還原這些離子，使其變為細小的金屬晶體。這些細小的金屬晶體能夠沉淀在催化劑的表面上，從而達到了消除污水毒性的目的，同時，又減少了貴、重金屬的流失，將其從廢水中回收。

（二） 納米材料在有機廢水處理中的應用

有機廢水的處理包括以下四個方面：

第一，對農藥廢水的處理，主要是處理其中的含磷和含硫有機物，使其被無機化，從而達到廢水處理的目的。在處理過程中需要利用到納米二氧化鈦的作用，通過紫外線對其懸濁液的照射來將含磷和含硫的有機物無機化。

第二，對化工廢水的處理，同樣需要用到二氧化鈦，利用其對氧化水中的苯類、酚類等有機污染物的光催化作用，使這些污染物被降解，從而達到消除有機物毒性的效果。

第三，對染料廢水的處理，這主要是針對生產染料的工廠，其排放的污水中有許多染料分子的殘留物，會嚴重污染環境，對環境造成破壞。所以，在溶解氧的前提下，將納米二氧化鈦作為催化劑，水溶性偶氮就會在光催化的作用下被降解。

第四，對造紙廢水的處理，其原理與染料廢水的處理相似，都是通過二氧化鈦的光催化作用使酸堿性的廢水被降解。

（三） 納米材料在自來水凈化處理中的應用

納米二氧化鈦除了其降解功能外，還具有殺菌的能力，因此，它可以被用來對自來水做凈化處理。將納米二氧化鈦固定在玻璃纖維網上，使其充當催化膜的角色。在對飲用水進行凈化時，水中的有機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，從而使自來水得到凈化。在凈化過程中，還能夠對自來水殺菌，從而使水的質量得到保障。

三、結語

綜上所述，納米材料具有其獨有的特性，包括表面效應、體積效應、尺寸效應等。正是因為納米材料的這些特性，使其在水處理工業中能發揮出其功效，使各種污水中的有害物質被消除，從而實現對水的凈化作用。

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