纳米技术在水处理方面的应用

纳米技术在水处理方面的应用摘要：随着人们对环境的日益重视以及对水质要求的提高，以及纳米技术研究的不断深入，纳米技术及材料在环境保护领域尤其是水处理方面的应用也会越来越广泛。纳米光催化技术、纳滤膜技术、纳米还原性技术及纳米吸附性技术在水处理领域都取得了一定的成就，不过也存在一些不足，需要我们继续深入的开展研究。关键词：纳米技术水处理纳米催化剂纳米过滤膜纳米吸附剂引言：随着我国工农业的飞速发展，“水质型缺水”严重、水体污染加剧、水环境生态恶化已成为不争的事实，这些都严重制约着我国的现代化建设，并形成了“瓶颈”效应。而传统的水处理技术存在许多缺点，如很难有效去除水体中复杂的污染物、易受水体水质变化影响、处理效果不稳定、能耗高、操作管理复杂、处理设施占地面积大等，亟待改进。近些年来崛起的新技术——纳米技术，在资源持续利用、汽车尾气净化、水处理及噪声控制等方面的应用正取得突破性的进展，有望解决传统水处理技术存在的问题。一、纳米技术概述所谓纳米技术，是指在1-100纳米的尺度范围里，研究电子、原子、分子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。纳米量级的材料因其物质颗粒接近原子大小，其物质的性能发生突变，产生了常规颗粒所不具备的效应：表面与界面效应、体积(小尺寸)效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而在机械性能、磁、光、电、热等方面与传统材料有很大的不同，具有辐射、吸收、催化、吸附及二元协同性等许多新特性，使得它在材料、医学、生物工程及环境保护等方面有着广阔的应用。二、纳米技术在水处理方面的应用。目前纳米技术在水处理方面主要应用于纳米催化剂、纳米过滤膜、纳米吸附剂、纳米传感器等。（1）纳米催化剂纳米光催化降解是一项新兴的非常具有发展前景的水处理技术，纳米颗粒由于具有常规颗粒所不具备的纳米效应，因此具有更高的催化活性，能将污染物在特定光照下催化降解，常用的光催化剂有TiO2、ZnO2、CdS、SnO2、Fe2O3等。研究发现，纳米TiO2材料远远比一般的半导体催化效率高。原因在于：①量子尺寸效应致使材料的导带和价带能级变成分立能级，使其能隙变宽。导带电位变得更负，价带电位变得更正，由此，纳米TiO2粒子的氧化和还原能力变得更强。②纳米TiO2粒子具有较小的粒径，与粗粒子相比，更容易从粒子内扩散迁移到粒子表面，得失电子更简单，进而更有利于氧化和还原反应的进行。纳米TiO2的催化活性远高于普通TiO2粉末，既可作为还原催化剂也可作为氧化剂。迄今为止，已发现有数百种有机污染物可通过纳米TiO2的光催化氧化降解为无害的CO2和H2O。该技术工艺简单、成本低廉，降解污染物速度快，降解有机污染物的范围广，氧化条件温和而且无二次污染、能长期有益于生态自然环境、是最具有开发前景的绿色环保技术之一。（2）纳米过滤技术纳米过滤（NF）是由压力驱动，介于反渗透(RO)和超滤(UF)之间，有时也被称作疏松反渗透。NF膜的孔径在纳米级范围内，其一般为l～5nm，其中存在真正的微孔，通常分离的溶解组分，其相对分子量范围为100～1000，分子尺寸约为1。即截留分子量大于100的有机物，允许小分子的有机物通过；同时NF膜对二价及多价离子的截留效果明显好于对单价离子的截留效果，以致它能有效去除二价及多价离子，但无法有效去除单价离子。由于NF膜允许小分子有机物及大部分单价离子通过，使得NF膜所需的操作压力较低，通常为0．5～1．5MPa；且具有高的膜通量。同时，NF膜技术，可运行在高温、酸、碱等苛刻条件下，具有耐污染、低能耗、低设备运行费用等优点，甚至可进一步降低费用。通过结合其他污水处理过程，也可进一步提高处理效果，在一些方面可很好地替代传统的水处理技术，是一种绿色环保的水处理技术。（3）纳米吸附剂对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为，纳米粒子的吸附作用主要是由于粒子表面羟基的作用。纳米粒子表面的羟基能够和某些阳离子键合，从而实现对金属离子和有机物的吸附，另外纳米粒子的大比表面积也是其具有吸附作用的重要原因。利用纳米材料的吸附性能，可吸附消除水中的多种有害污染物从而达到净化水的目的。目前应用于水处理方面的纳米吸附性材料主要有碳纳米管、纳米SiO2等。另外还有一种纳米复合吸附剂。酵母菌对水体中的重金属离子有较强的吸附能力，纳米TiO2也具有优越的吸附能力，两者通过生物包埋剂制成复合吸附剂。纳米TiO2复合吸附剂对重金属离子的吸附更强，是两者在共同吸附过程中产生了协调作用。不过，由于纳米TiO2一酵母复合吸附剂是生物类的吸附剂，它的吸附率受废水的pH、吸附温度的影响。（4）纳米传感器纳米传感器是结合了微加工和纳米加工，从而制造出小型、可携带且精确度高的传感器，用于探测水中单个细胞的化学和生物化学物质。几个研究共同体正对这类装置进行实地测试，而且一些装置有望很快商品化。例如，美国宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组已经开发出利用硅片上的纳米导线探测水中的砷的方法。三、纳米技术存在的问题首先，纳米技术跨越到商业应用是复杂的，而且对大多数发展中国家仍然是一个遥远的目标。仅仅是大量生产用于工业应用的纳米材料本身，就是一种挑战，而且这可能很昂贵。其次，纳米材料在处理和使用时也可能产生问题。极为微小的尺寸让它们很容易通过空气传播，而且很难控制。它们未知的环境和健康风险，意味着它们必须在排水之前完全被清除--从而避免污染环境或食物链。除了工程解决方案，纳米技术研究人员还需要和医生以及其他科学家合作，从而全面理解纳米技术的有毒效应及它们在环境中的命运。目前的需要是，开发新材料从而有效的生产清洁的饮用水。但更大的挑战在于开发出创新的方法，利用纳米材料的新特性在最大程度上造福人类而不会损害环境。四、展望近l0年来，有关纳米材料的制备和应用的研究正越来越广泛，纳米技术发展迅速。据有关报道，与常规材料相比，因纳米材料具有其所不具有的特性，致使纳米材料的研究与应用迅速发展于各个领域。随着人们对环境的日益重视以及对水质要求的提高，以及纳米技术研究的不断深入，纳米技术及材料在环境保护领域尤其是水处理方面的应用也会越来越广泛。纳米光催化技术、纳滤膜技术、纳米还原性技术及纳米吸附性技术在水处理领域都取得了一定的成就，不过也存在一些不足，需要我们继续深入的开展研究。全世界的研究学者都对纳米技术非常重视，纳米技术必将对未来的环境保护、水处理以及实现可持续发展产生巨大的作用，具有广阔的应用前景。参考文献