水處理過程中納米材料的降解作用與機制

關鍵詞：納米材料；降解機制；光催化；電化學降解；化學氧化中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）07-0240-03DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.070

Degradation Mechanisms of Nanomaterials in Water Treatment

LIHuaimei，MUChunchun （1.Shouguang Fukang Pharmaceutical Co.，Ltd.，Shouguang2627oo， China; 2.Shandong Jiuli Environmental Monitoring Co.，Ltd.，Weifang 261ooo，China）

Abstract：Nanomaterials have shown great potential in the fieldof water treatment due to theirunique physical and chemical propertiesand eficientcatalyticdegradation performance.Thedegradation mechanisms ofnano metal oxides， nano carbonmaterials，nanocompositematerials，etc.inwater treatmentwere mainlyanalyzed，includingphotocatalytic degradation，lectrochemicaldegradation，chemicaloxidationdegradation，etc.Researchhasshownthatnanomaterials eficientlydegradeorganicpolutants throughmultipleprocessessuchasgeneratingactivefreeradicals，electronhole pair separation，andsurfaceadsorption.Inpractical water treatmentapplications，nanomaterials ehibitadvantagessuchas high degradation eficiency，wide applicability，and no secondary pollution.

Keywords： nanomaterials;degradationmechanism;photocatalysis; electrochemical degradation;chemicaloxidation

隨著工業化進程的加快，水污染問題日益嚴峻，傳統水處理技術面臨處理效率低、能耗高和二次污染等挑戰。納米材料憑借獨特的物理化學性質，在水處理領域展現出巨大應用潛力。納米材料通過量子尺寸效應、表面效應及界面效應，實現對污染物的高效降解和選擇性去除。近年來，納米金屬氧化物、納米碳材料及納米復合材料應用于光催化降解、電化學降解和化學氧化等水處理工藝。深入理解納米材料的降解作用機制，對開發高效水處理技術和解決環境污染問題具有重要科學意義和應用價值。

1水處理用納米材料的種類與特性

1.1納米金屬氧化物材料

納米金屬氧化物材料在水處理領域表現出優異的催化降解性能。 TiO₂ 納米材料具有良好的光催化活性，通過光生電子－空穴對的產生和遷移，有效降解水中有機污染物。 ZnO 納米結構因其獨特的能帶結構和較大的激子結合能，在紫外光照射下展現出強氧化性和高效的光催化降解性能。 Fe₃O₄ 磁性納米粒子具有磁性分離和催化氧化的雙重功能，通過芬頓反應產生羥基自由基（ ?_OH ），促進污染物降解，且易于磁場回收。 CuO 、 MnO₂ 等過渡金屬氧化物納米材料憑借豐富的氧化還原活性位點和可調控的表面性質，在電化學降解和化學氧化過程中發揮著重要作用[]。納米金屬氧化物通過調控晶體結構、形貌尺寸和表面性質，實現對特定污染物的選擇性識別和高效降解，為水處理技術提供新的解決方案。

1.2納米碳材料

納米碳材料憑借獨特的電子結構和優異的物理化學性質，在水處理領域展現出巨大潛力。碳納米管為中空管狀結構且比表面積大，具有強大的吸附性能和電子傳導能力，在電化學降解過程中作為優良的電極材料促進電子轉移。石墨烯材料是由 sp² 雜化碳原子構成的二維平面結構，具有較大的比表面積和豐富的含氧官能團，通過 π-π 鍵相互作用和氫鍵作用提高對有機污染物的吸附和催化降解效率。碳量子點作為新型發光納米碳材料，結合光催化和熒光檢測功能，實現水處理過程的實時監測和降解[2]。

1.3 納米復合材料

納米復合材料通過多組分協同作用顯著提升水處理性能。金屬/非金屬復合材料結合了金屬的催化活性和非金屬的電子調控能力，如 Au/Ti0₂ 復合材料利用等離子體共振效應增強可見光響應，提高光催化降解效率。有機/無機雜化材料將有機組分的選擇性識別與無機組分的穩定性相結合，聚多巴胺 /Fe₃0₄ 復合材料實現對重金屬離子的選擇性吸附和磁性分離。導電聚合物與碳基材料的復合通過 π 共軛結構形成電荷傳輸通道，增強電化學降解性能。多層次結構設計如核殼結構、異質結構等優化了電子－空穴對的分離效率和界面傳質過程。智能響應型復合材料在pH值、溫度等環境刺激下表現出可控的降解行為，為水處理工藝的精準調控提供新思路。

2納米材料的降解作用機制

2.1光催化降解機制

光催化降解過程基于光生載流子的產生與轉移。當入射光子能量大于納米光催化劑的禁帶寬度時，價帶電子被激發至導帶，形成電子－空穴對（ ?e^-h⁺ 。空穴與水分子或羥基離子反應生成 ?_OH ，電子與吸附氧分子作用產生超氧自由基（ ?0₂^- ）。這些活性氧自由基具有強氧化性，攻擊污染物分子中的化學鍵，引發一系列自由基鏈式反應。

納米材料的量子尺寸效應和表面效應顯著提高了光生載流子的產生效率和分離效率。晶格缺陷、表面態等因素影響電荷復合過程，決定了光催化活性。通過能帶工程和界面工程調控載流子行為，優化光催化降解性能，實現水中有機污染物的高效礦化。

2.2電化學降解機制

電化學降解過程依賴電極表面的氧化還原反應。納米材料修飾的電極通過直接電子轉移和間接氧化作用實現污染物降解。陽極表面發生水的氧化反應，生成吸附態羥基自由基（ MO_x（^?OH） ），同時產生活性氯物種（ Cl₂ 、HOCI）。陰極表面發生水的還原反應，產生 H₂O₂ 等活性物質。納米材料的高比表面積和豐富的活性位點增強了電荷轉移效率，降低了反應電位。電化學降解體系中，納米催化劑通過表面配位作用和靜電吸附富集污染物分子，促進電子轉移和自由基攻擊[3。多孔結構和導電網絡的構建優化了界面傳質過程和電荷傳導路徑，提高了降解效率。電化學降解機制涉及直接氧化、間接氧化和協同氧化多重途徑，通過電壓、電流等參數調控，實現對不同類型污染物的定向降解。

2.3化學氧化降解機制

化學氧化降解主要通過芬頓反應和類芬頓反應實現。納米鐵基材料在 H₂O₂ 存在下，通過 Fe²⁺ 或Fe³⁺ 循環產生強氧化性的羥基自由基。反應過程為

Fe²⁺+H₂O₂?Fe³⁺+?OH+OH^-

Fe³⁺+H₂O₂?Fe²⁺+?OOH+H⁺

業 OH+ 有機物 $$ 降解產物

納米材料的表面特性調控了 Fe²⁺ 或 Fe³⁺ 的氧化還原循環。過硫酸鹽活化體系中，納米材料通過電子轉移或熱活化方式誘導 S₂O₈^2- 分解生成硫酸根自由基（ S0₄^-? ）。 CoFe₂O₄ 、 CuFe₂O₄ 等尖晶石型納米氧化物通過金屬離子協同催化增強氧化性能。納米材料的形貌結構和表面化學性質影響活性位點的暴露程度和電子轉移效率，并決定了化學氧化降解活性。多重活性自由基的協同作用顯著提高了降解效率，實現對難降解有機污染物的深度氧化。

3納米材料在水處理中的應用實例

通過對典型污染物處理案例的分析，納米材料在不同類型污染物處理中的應用效果如表1所示。

3.1有機污染物的降解處理

納米材料在有機污染物降解處理中展現出顯著優勢。染料廢水處理中， TiO₂/CNTs 復合材料通過光催化作用產生強氧化性自由基，實現對偶氮染料、蒽醌染料等的深度降解，染料分子經過 N=N 鍵斷裂和芳環開環，最終礦化為 CO₂ 和 H₂O ，脫色率達99.8% 。農藥殘留處理采用 MnO₂/rGO 納米復合材料，結合吸附富集和催化氧化作用，對有機磷農藥、氨基甲酸酯類農藥表現出高效去除能力，降解率超過95% 。醫藥廢水中的抗生素、解熱鎮痛藥等通過 CuO/ znO 納米材料修飾的電極進行電化學降解，利用直接電氧化和間接氧化協同作用，打開分子環狀結構，降低生物毒性[4]。降解過程中通過色譜－質譜聯用技術跟蹤中間產物變化，揭示降解途徑和機理，為工藝優化提供依據。

表1納米材料在不同類型污染物處理中的應用效果

3.2重金屬污染物的去除

重金屬污染物去除過程結合了納米材料的吸附、還原和固定化作用。 Fe₃0₄/ 石墨烯對 Pb²⁺ ， Cd²⁺ 等重金屬離子表現出選擇性吸附性能，通過表面羥基配位和離子交換作用實現快速分離。納米零價鐵通過電子供體作用將 Cr⁶⁺ 還原為低毒性的 Cr³⁺ ，同時產生的鐵氧化物提供吸附位點，實現重金屬的固定化。Au納米顆粒修飾的石墨烯在汞離子檢測和去除中發揮雙重功能，利用 Au-Hg 齊化作用實現選擇性富集[5。多孔硅基納米材料通過表面功能化修飾，引入硫醇、氨基等配位基團，增強對重金屬離子的絡合能力。磁性納米復合材料便于磁場分離回收，解決傳統吸附劑分離困難的問題，實現污染物的資源化處理。

3.3新興污染物的降解

新興污染物的復雜結構和穩定性對降解處理提出更高要求。微塑料降解采用 Ag/TiO₂ 異質結構納米材料，在紫外光照射下產生強氧化性自由基，攻擊聚合物鏈段，促進C-C鍵斷裂和分子量降低。雙酚A、壬基酚等內分泌干擾物通過 CeO₂ 納米材料的電化學降解，結合表面氧化還原和氧空位調控，實現苯環結構的開環和酚羥基的氧化。新型溴代阻燃劑通過核殼結構 Fe₃0₄@CuO 納米材料的協同催化降解，脫溴反應和碳鏈氧化并行進行，減少有毒中間產物的生成。

4結論

納米材料在水處理過程中表現出獨特的降解作用機制和優異的處理性能。通過深入理解其降解機理，開發新型復合材料，優化工藝條件，納米材料的降解效率和穩定性將進一步提升。未來，隨著新型功能材料的開發和降解機制的深入研究，納米材料在水處理領域的應用前景將更加廣闊。

參考文獻

1張卞陽洋，朱新華，周婧，等.膜分離技術在工業廢水處理中的應用研究進展[J].當代化工研究，2024（15）：30-32.

2 王雅娟.環保工程水處理過程中超濾膜技術運用分析[J].城市建設理論研究，2024（15）：112-114.

3 龐子君，覃智，陳啊聰，等.污廢水中污染物去除的功能材料研究進展：元素物質－合成改性－工藝工程的尺度效應[J].應用化學，2024（2）：190-216.

4邱小燕，危海濤，楊益洲.基于納濾膜分離技術的高鹽廢水處理方法[J].塑料科技，2023（6）：124-128.

5 李紅林，沈舒蘇，吳逸，等.金屬有機框架改性膜在廢水處理中的應用進展[J].功能材料，2022（4）：4028-4038.