納米技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

[提要]本文介紹納米技術(shù)在水處理中的作用，介紹納米TiO 光催化氧化在污水處理方面的研究進(jìn)展，說明納米膜技術(shù)在處理廢水中的重要意義，指出納米技術(shù)對水處理研究的推動及其發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]納米技術(shù) 水處理  TiO2光催化氧化 納米膜技術(shù)

一、納米技術(shù)及其效應(yīng)

納米技術(shù)是指在1—100尺度上研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象，由此發(fā)展起來的多學(xué)科、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新的科學(xué)技術(shù)。它是現(xiàn)代物理(介觀物理、量子力學(xué)、混沌物理和分子生物學(xué)等)和先進(jìn)工程技術(shù)(計(jì)算機(jī)、微電子和掃描隧道顯微鏡等技術(shù))結(jié)合的產(chǎn)物。納米技術(shù)包括納米結(jié)構(gòu)和納米材料。納米結(jié)構(gòu)是指在納米尺寸上構(gòu)架功能性結(jié)構(gòu)。納米材料指的是構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸是納米尺寸，并且用的材料性質(zhì)是這個尺度上物質(zhì)特有的非常規(guī)性質(zhì)。納米顆粒由于具有極小的尺寸，產(chǎn)生了常規(guī)顆粒的大塊材料所不具備的新效應(yīng)。

1. 小尺寸效應(yīng)(又稱體積效應(yīng))。當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長或超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，其周期性的邊界條件將破壞，光、聲、電、磁、熱力學(xué)等特性會表現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。

2．量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子的尺寸小到某一值時，金屬的費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變成離散，對于納米半導(dǎo)體材料存在的不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道的能級和能隙變寬，此現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。

3．宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有貫穿宏觀系統(tǒng)勢壘而產(chǎn)生變化的隧道效應(yīng)—— 宏觀量子隧道效應(yīng)。

4．表面效應(yīng)。表面效應(yīng)是納米粒子及固體材料中重要的效應(yīng)之一，是指表面原子數(shù)隨納米結(jié)構(gòu)尺寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。表1是顆粒粒徑、原子數(shù)及表面原子數(shù)之間的關(guān)系。表面原子數(shù)的增加、原子配位的不足，必然導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)存在許多表面缺陷，使表面具有很高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。納米顆粒的粒徑極小，具有巨大的比表面積的表面自由能。

二、納米TiO2氧化技術(shù)研究情況

納米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，納米TiO2表面會產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基(·OH)，使水中的有機(jī)污染物氧化降解為無害的CO2和水。納米TiO2光催化氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：降解速度快，一般只需幾十分鐘到幾小時即可取得良好的廢水處理效果；降解無選擇性，尤其適合于氯代有機(jī)物、多環(huán)芳烴等；氧化反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在陽光下即可發(fā)生光催化氧化反應(yīng)：無二次污染，有機(jī)物徹底被氧化降解為CO2和H O；應(yīng)用范圍廣，幾乎所有的污水都可以采用�，F(xiàn)有國內(nèi)外的幾種試驗(yàn)研究情況如下：

1．有機(jī)磷農(nóng)藥廢水處理。有機(jī)磷農(nóng)藥占我國農(nóng)藥產(chǎn)量的80％以上，其生產(chǎn)過程中有大量的有毒廢水產(chǎn)生。據(jù)報(bào)道，采用納米TiO2·SiO2負(fù)載型復(fù)合光催化劑，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有機(jī)磷農(nóng)藥在其表面迅速富集，隨光照時間的延長，有機(jī)磷農(nóng)藥的光解率逐漸升高，光照80min，試驗(yàn)用敵百蟲已完全降解。

2．毛紡染廢水處理。把表面涂覆有納米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反應(yīng)器內(nèi)，通過潛水泵使廢水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)進(jìn)行光催化氧化處理。由于納米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中的有機(jī)物接觸更為充分，可將它們最大限度地吸附在其表面，并迅速將有機(jī)物分解成CO2和H2O，處理效果優(yōu)于生物處理和懸浮光催化氧化處理，COD去除率和脫色率均較高。

3．氯代有機(jī)物廢水處理。在模擬廢水處理的試驗(yàn)中，以16mg／L3-氯一酚的水溶液為模擬廢水，分別采用納米TiO2光催化劑與臭氧聯(lián)合、單獨(dú)用光催化劑納米TiO2和單獨(dú)用納米琴價(jià)鐵三種方法對其進(jìn)行處理。用內(nèi)表面涂覆納米TiO2光催化劑的陶瓷圓管處理5．5mg／L苯酚和三氯乙烯水溶液的試驗(yàn)表明，苯酚在1．5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h內(nèi)完全分解。

4．含油廢水處理。含油廢水中所含的脂肪烴、多環(huán)芳烴、有機(jī)酸類、酚類等有機(jī)物很難降解，使用納米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解這些有機(jī)物。

上述研究情況表明，納米TiO2光催化氧化技術(shù)在徹底降解水中的有機(jī)污染物和可以利用太陽能等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)水中的有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法難以處理時，具有更明顯的優(yōu)勢，是其他傳統(tǒng)方法無法比擬的。目前，世界有關(guān)國家已嘗試把納米TiO2光催化氧化技術(shù)用于水處理的實(shí)驗(yàn)室研究，如何盡快實(shí)現(xiàn)工程化，有待各相關(guān)領(lǐng)域的研究人員進(jìn)一步努力。

三、納米膜技術(shù)及其試驗(yàn)應(yīng)用

納米膜技術(shù)是一種膜分離技術(shù)。膜孔徑處于納米級，適宜于分離分子量在200-1000，分子尺寸約為1的溶解組分的膜工藝被稱為納濾(NF)。NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0．5-2．0 MPa，比用反滲透膜達(dá)到同樣的滲透能量所必需施加的壓差低0．5-3Mpa。NF分離是一種綠色水處理技術(shù)，特點(diǎn)是：能截留分子量大于10O的有機(jī)物以及多價(jià)離子，允許小分子有機(jī)物和單價(jià)離子透過：可在高溫、酸、堿等苛刻條件下運(yùn)行，耐污染：運(yùn)行壓力低，膜通量高，裝置運(yùn)行費(fèi)用低；可以和其他污水處理過程相結(jié)合以進(jìn)一步降低費(fèi)用和提高處理效果。納米膜技術(shù)在水處理試驗(yàn)研究成功應(yīng)用于制糖、制漿造紙、電鍍、機(jī)械加工以及化工反應(yīng)催化劑的回收等行業(yè)的廢水處理。

1．日用化工廢水處理。用NF膜處理日用化工廢水的應(yīng)用研究表明，NF膜耐酸堿，有優(yōu)良的截留率，對重金屬有很好的去除率，不存在膜污染問題。據(jù)計(jì)，由于NF膜的運(yùn)行費(fèi)用低于反滲透技術(shù)，對有機(jī)小分子有良好的脫除率，可能會覆蓋9O％以上的日用化工廢水處理。

2．殺蟲劑廢水處理。一般的水處理方法不能除去污染水中的低分子有機(jī)農(nóng)藥。通過研究NF膜對不含酚殺蟲劑的截留性能，發(fā)現(xiàn)除了二氯化物以外，其他殺蟲劑的截留率均高于96．7％，所有殺蟲劑在NF膜上的吸附能力均受其疏水性的影響。采用NF處理含有酚類殺蟲劑的廢水也十分有效。

3．化纖、印染工業(yè)廢水處理。NF可以用于印染過程排水中染料及助劑的脫除和回用。處理染料聚合漿料時，由于大多數(shù)染料的分子量在幾百到幾千，NF膜可以讓一些無機(jī)鹽或小分子通過，而對較大的染料分子進(jìn)行截取，粗染料漿液經(jīng)NF系統(tǒng)后，染料可以富集，而無機(jī)鹽的濃度下降，脫鹽率大于98％ ，染料損失率小于O．1％ ，而且可以在高溫下運(yùn)行。此外，NF還可以用于纖維加工過程中的含油廢水的處理及回收再利用。

4．生活污水處理。采用常用的生物降解和化學(xué)氧化相結(jié)合的方法處理生活污水時，增加一個NF系統(tǒng)，讓能被微生物降解的小分子(分子量小于100)通過，不能生物降解的有機(jī)大分子(分子量大于10O)被截留下來經(jīng)化學(xué)氧化后再生物降解，這樣就可以充分發(fā)揮生物降解的作用，節(jié)省氧化劑或活性炭的用量，降低最終殘留物的含量。

5．造紙廢水處理。采用NF膜技術(shù)替代傳統(tǒng)的化學(xué)處理法能更有效地除去深色木質(zhì)紊。木漿漂白過程產(chǎn)生的氯化木質(zhì)紊是帶負(fù)電的，容易被帶負(fù)電性的NF膜截留，并且對膜不會產(chǎn)生污染。另外，因?yàn)檎麄�處理過程中對陽離子(Nal的脫除率并沒有嚴(yán)格要求，采用反滲透技術(shù)就顯得沒有必要。采用超濾／納濾處理牛皮紙制造廢水有很好的效果。

四、納米技術(shù)在水處理的應(yīng)用前景

上世紀(jì)九十年代中期以來，納米技術(shù)發(fā)展很快，尤其在水處理中的應(yīng)用研究，前景十分廣闊。

1．納米技術(shù)對印染廢水、農(nóng)藥廢水的處理。納米TiO2顆粒用于對廢水和空氣中的有機(jī)污染物、重金屬等有害特質(zhì)進(jìn)行催化氧化和還原，起到凈化水體和空氣的作用。傳統(tǒng)上對印染廢水、農(nóng)藥廢水的處理難度大，效益不明顯。以納米TiO2對印染廢水、農(nóng)藥廢水的處理具有特別重要的意義。

2．納米TiO2光催化作用。納米TiO2光催化材料本身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、光催化氧化和還原能力，可制成透明薄膜并且可摻雜材料多等優(yōu)點(diǎn)，這種材料越來越受人青睞。TiO2光催化研究發(fā)展方向?qū)⒅饕�表現(xiàn)在：TiO2材料性能進(jìn)一步探討；摻雜和光催化效率的研究：TiO2光催化劑薄膜的探索；探尋新的光催化分解對象——有機(jī)生物體。

3．納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用將會給環(huán)境污染治理技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)新的領(lǐng)域。納米科技是一門新興的學(xué)科，其在水處理中的應(yīng)用才剛開始，但已初顯端倪。可以預(yù)見，隨著研究工作的不斷深入和實(shí)用化水平的提高，納米水處理技術(shù)將在21世紀(jì)得到發(fā)展，并對解決全球性的水荒和水體污染問題起到十分重要的作用。

[參考文獻(xiàn)]
【1】姚清照，劉正寶．光電催化降解染料廢水．工業(yè)水處理1999(6)：15-16
【2】樊彩海，孫彥平．苯酚的TiOz薄膜光電催化降解及反應(yīng)產(chǎn)物的分布．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)．2000，31(5)：20-23
【3】高鐵，錢朝勇．TiOz光催化氧化水中有機(jī)物進(jìn)展．工業(yè)水處理，2000(4)：10-13
【4】郭景坤，納米化學(xué)研究及其展望．世界科學(xué)，1999(2)：13-16來源：谷騰水網(wǎng) 作者: 張洋