納米材料在水處理中的應用研究進展

李菲+皇晉煜

（天津機科環保科技有限公司 天津 300192）

摘要：隨著水資源的日益緊缺和人們環境保護意識的提高，傳統的水處理技術已經逐漸不能滿足社會發展的需求。近年來，納米技術和納米材料的迅速發展為水處理技術的革新提供了良機，引起了眾多環境科研工作者的廣泛研究。文章綜述了近年來納米材料在污染物吸附、膜分離等水處理領域的應用研究進展，系統闡述了各種納米技術的優勢、作用機理、影響因素、對水的處理效果等。

關鍵詞：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

納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化，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，比表面積將會顯著地增加。例如粒徑為10nm時，表面積為90m2/g；粒徑為5nm時，比表面積為180m2/g；粒徑下降到2nm時，比表面積猛增到450m2/g。粒子直徑減小到納米級，不僅引起表面原子數的迅速增加，而且納米粒子的表面積、表面能都會迅速增加。

1.2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。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。

1.3尺寸效應

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

1.4量子尺寸效應

該效應指微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為離散能級。納米材料中處于離散的量子化能級中的電子的波動性使納米材料具有一系列特殊性質，如特異性催化，強氧化性和還原性。

1.5量子隧道效應

微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研究對基礎研究及實際應用，如導電、導磁高聚物、、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處理，以去除有機物、重金屬、膠體、余氯等，也可以作為深度處理，保證出水質量。

2.1碳納米吸附劑

碳材料通常具有較大的比表面積和發達的孔隙結構，其被廣泛應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，隨著其制備技術的逐步完善，其在水處理領域應用的研究也不斷深入，可以作為吸附劑去除有機物、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合作用來控制。該過程的完成通過兩步來實現：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散。納米級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，更短的擴散距離及更多數量的表面作用位點。另外，磁性納米材料基于其特有的磁響應性，金屬離子吸附劑時可以高效回收、使用方便、脫附簡單。

3膜分離

膜分離是指以具有選擇透過功能的薄膜為分離介質，通過在膜兩側施加推動力，使原料中的某些組分選擇性的優先透過膜，從而達到混合物分離和產物提取、純化的目的。該技術除大規模用于海水淡化、苦咸水淡化、純水生產外，在城市污水處理、工業廢水處理與回用等領域已得到廣泛推廣和應用。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、力學穩定性和熱穩定性。

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多孔結構的薄膜，這種膜通常由具有一定排列順序或無序的納米纖維沉積而成。一般可以通過電紡絲、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單、有效、低成本的方法，也是唯一一種實現工業化的制備方法。通過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、空間排列都能進行較好的控制。

3.2納米復合膜

通過向聚合物膜/無機膜中摻雜納米材料或者對其進行表面改性，使膜兼具有納米材料的多種功能，是目前膜材料技術研究的熱點。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用

4.1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。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。

4.2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，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，排放的廢水中殘留著染料分子，這些廢水大多含有苯環、胺基、偶氮基團等致癌物質，造成嚴重的環境污染。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。

4.3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。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。

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。

參考文獻：

[1]付丹.納米材料性能提高及其在水處理方面的應用[J].四川化工，2014，06：53-55.

[2]梁敏.納米材料的特性及其在水處理工業中的應用[J].化工時刊，2015，07：37-39.