纳米技术在水处理中的应用
[提要]本文介绍纳米技术在水处理中的作用，介绍纳米TiO 光催化氧化在污水处理方面的研究进展，说明纳米膜技术在处理废水中的重要意义，指出纳米技术对水处理研究的推动及其发展前景。
[关键词]纳米技术 水处理 TiO2光催化氧化 纳米膜技术
一、纳米技术及其效应
纳米技术是指在1—100尺度上研究和应用原子、分子现象，由此发展起来的多学科、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术。它是现代物理(介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等)和先进工程技术(计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术)结合的产物。纳米技术包括纳米结构和纳米材料。纳米结构是指在纳米尺寸上构架功能性结构。纳米材料指的是构成材料的结构单元尺寸是纳米尺寸，并且用的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质。纳米颗粒由于具有极小的尺寸，产生了常规颗粒的大块材料所不具备的新效应。
1. 小尺寸效应(又称体积效应)。当超细微粒的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长或超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将破坏，光、声、电、磁、热力学等特性会表现出新的小尺寸效应。
2．量子尺寸效应。当粒子的尺寸小到某一值时，金属的费米能级附近的电子能级由准连续变成离散，对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道的能级和能隙变宽，此现象称为量子尺寸效应。
3．宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应—— 宏观量子隧道效应。
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4．表面效应。表面效应是纳米粒子及固体材料中重要的效应之一，是指表面原子数随纳米结构尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的变化。表1是颗粒粒径、原子数及表面原子数之间的关系。表面原子数的增加、原子配位的不足，必然导致纳米结构存在许多表面缺陷，使表面具有很高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。纳米颗粒的粒径极小，具有巨大的比表面积的表面自由能。
二、纳米TiO2氧化技术研究情况
纳米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和水。纳米TiO2光催化氧化技术的优点是：降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果；降解无选择性，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生光催化氧化反应：无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H O；应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。现有国内外的几种试验研究情况如下：
1．有机磷农药废水处理。有机磷农药占我国农药产量的80％以上，其生产过程中有大量的有毒废水产生。据报道，采用纳米TiO2·SiO2负载型复合光催化剂，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药在其表面迅速富集，随光照时间的延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照80min，试验用敌百虫已完全降解。
2．毛纺染废水处理。把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反应器内，通过潜水泵使废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米TiO2具有巨大的比表面积，与废水中的有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，并迅速将有机物分解成CO2和H2O，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，COD去除率和脱色率均较高。
3．氯代有机物废水处理。在模拟废水处理的试验中，以16mg／L3-氯一酚的水溶液为模拟废水，分别采用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合、单独用光催化剂纳米TiO2和单独用纳米琴价铁三种方法对其进行处理。用内表面涂覆纳米TiO2光催化剂的陶瓷圆管处理5．5mg／L苯酚和三氯乙烯水溶液的试验表明，苯酚在1．5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h内完全分解。
4．含油废水处理。含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等有机物很难降解，使用纳米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解这些有机物。
上述研究情况表明，纳米TiO2光催化氧化技术在彻底降解水中的有机污染物和可以利用太阳能等方面有着突出的优点，特别是当水中的有机污染物浓度很高或用其他方法难以处理时，具有更明显的优势，是其他传统方法无法比拟的。目前，世界有关国家已尝试把纳米TiO2光催化氧化技术用于水处理的实验室研究，如何尽快实现工程化，有待各相关领域的研究人员进一步努力。
三、纳米膜技术及其试验应用
纳米膜技术是一种膜分离技术。膜孔径处于纳米级，适宜于分离分子量在200-1000，分子尺寸约为1的溶解组分的膜工艺被称为纳滤(NF)。NF膜分离需要的跨膜压差一般为0．5-2．0 MPa，比用反渗透膜达到同样的渗透能量所必需施加的压差低0．5-3Mpa。NF分离是一种绿色水处理技术，特点是：能截留分子量大于10O的有机物以及多价离子，允许小分子有机物和单价离子透过：可在高温、酸、碱等苛刻条件下运行，耐污染：运行压力低，膜通量高，装置运行费用低；可以和其他污水处理过程相结合以进一步降低费用和提高处理效果。纳米膜技术在水处理试验研究成功应用于制糖、制浆造纸、电镀、机械加工以及化工反应催化剂的回收等行业的废水处理。
1．日用化工废水处理。用NF膜处理日用化工废水的应用研究表明，NF膜耐酸碱，有优良的截留率，对重金属有很好的去除率，不存在膜污染问题。据计，由于NF膜的运行费用低于反渗透技术，对有机小分子有良好的脱除率，可能会覆盖9O％以上的日用化工废水处理。
2．杀虫剂废水处理。一般的水处理方法不能除去污染水中的低分子有机农药。通过研究NF膜对不含酚杀虫剂的截留性能，发现除了二氯化物以外，其他杀虫剂的截留率均高于96．7％，所有杀虫剂在NF膜上的吸附能力均受其疏水性的影响。采用NF处理含有酚类杀虫剂的废水也十分有效。
3．化纤、印染工业废水处理。NF可以用于印染过程排水中染料及助剂的脱除和回用。处理染料聚合浆料时，由于大多数染料的分子量在几百到几千，NF膜可以让一些无机盐或小分子通过，而对较大的染料分子进行截取，粗染料浆液经NF系统后，染料可以富集，而无机盐的浓度下降，脱盐率大于98％ ，染料损失率小于O．1％ ，而且可以在高温下运行。此外，NF还可以用于纤维加工过程中的含油废水的处理及回收再利用。
4．生活污水处理。采用常用的生物降解和化学氧化相结合的方法处理生活污水时，增加一个NF系统，让能被微生物降解的小分子(分子量小于100)通过，不能生物降解的有机大分子(分子量大于10O)被截留下来经化学氧化后再生物降解，这样就可以充分发挥生物降解的作用，节省氧化剂或活性炭的用量，降低最终残留物的含量。
5．造纸废水处理。采用NF膜技术替代传统的化学处理法能更有效地除去深色木质紊。木浆漂白过程产生的氯化木质紊是带负电的，容易被带负电性的NF膜截留，并且对膜不会产生污染。另外，因为整个处理过程中对阳离子(Nal的脱除率并没有严格要求，采用反渗透技术就显得没有必要。采用超滤／纳滤处理牛皮纸制造废水有很好的效果。
四、纳米技术在水处理的应用前景
上世纪九十年代中期以来，纳米技术发展很快，尤其在水处理中的应用研究，前景十分广阔。
1．纳米技术对印染废水、农药废水的处理。纳米TiO2颗粒用于对废水和空气中的有机污染物、重金属等有害特质进行催化氧化和还原，起到净化水体和空气的作用。传统上对印染废水、农药废水的处理难度大，效益不明显。以纳米TiO2对印染废水、农药废水的处理具有特别重要的意义。
2．纳米TiO2光催化作用。纳米TiO2光催化材料本身具有良好的化学稳定性、光催化氧化和还原能力，可制成透明薄膜并且可掺杂材料多等优点，这种材料越来越受人青睐。TiO2光催化研究发展方向将主要表现在：TiO2材料性能进一步探讨；掺杂和光催化效率的研究：TiO2光催化剂薄膜的探索；探寻新的光催化分解对象——有机生物体。
3．纳米技术的发展和应用将会给环境污染治理技术的发展开创新的领域。纳米科技是一门新兴的学科，其在水处理中的应用才刚开始，但已初显端倪。可以预见，随着研究工作的不断深入和实用化水平的提高，纳米水处理技术将在21世纪得到发展，并对解决全球性的水荒和水体污染问题起到十分重要的作用。
[参考文献]
【1】姚清照，刘正宝．光电催化降解染料废水．工业水处理1999(6)：15-16
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【3】高铁，钱朝勇．TiOz光催化氧化水中有机物进展．工业水处理，2000(4)：10-13
【4】郭景坤，纳米化学研究及其展望．世界科学，1999(2)：13-16
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