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纳米技术在水处理中的应用

作者: 王裕兵,倪宇翔

  摘 要 本文对纳米技术和纳米材料进行了简单的介绍,并对纳米TiO2光催化氧化技术在污水处理中的应用进行了简单的介绍,旨在说明纳米技术在污水处理中的重要性。
  关键词 纳米技术;水处理;TiO2光催化剂
  中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0163-01
  
  纳米技术是20世纪90年代出现的一门新技术,介于纳米材料能够吸收水体中某些特殊的有机物,研究学者将纳米科技引入到现代水处理中,表现出良好的应用前景。
  1 传统的污水处理技术
  工业生产、生活废水中常常含有大量的有机物、泥沙、细菌等物质,甚至有些物质有巨大的毒性,为了除去这些有害物质,我国常用的传统方法有物理法、化学法和生物法。
  1)物理法。物理法,顾名思义就是利用物理沉降、过滤等手段将污水中的悬浮污染物、泥沙等杂质除去,常用的物理法有沉淀法、过滤法、离心法、气浮法、蒸汽冷凝法等。
  2)化学法。化学法就是在污水中加入某种化学试剂,利用化学反应来分离或者转化污水中的杂质及有毒物质,常用的化学法有中和法、吸附法、混凝法、化学沉淀法、化学氧化法、离子交换法等。
  3)生物法。生物法就是利用某种微生物分解废水中的某种特定有机污染物,根据微生物的类别,生物法可以分为好氧生物处理和厌氧生物处理。
  上述污水处理方法是我国常用的污水处理技术,这类污水处理方法的效果差、成本高,有些处理手段可能出现二次污染等问题,降低了污水处理的效果。而纳米技术的出现,以及其在水处理中的研究发展,可以提高污水处理技术水平。
  2 纳米技术和纳米材料在世界的发展情况
  纳米材料和纳米技术的出现,给未来高新技术的发展提供了一个很好的研究手段,各个国家都非常重视纳米技术的研究。美国国家基金委员会(NSF)在1998年对纳米功能材料进行了大量研究,并对其加工和合成作为重要的基础研究项目;日本在近7年以来制定了大量的纳米科技研究项目,如Oglala计划、量子功能器件的原理研究等;德国科研技术委员会也制定了发展纳米科技的计划。这都说明国外对纳米材料的研究都非常重视,在今后一段时间内都是国际研究热点和方向。
  我国从“八五”期间以来,对纳米材料的研究取得了非常丰富的成果:如:①大面积定向碳管阵列合成;②超长纳米碳管;③硅衬底上纳米管阵列等,但是我国纳米科技水平与国外还是有一些差距的,尤其是欧美国家,但是由于我国科研队伍梯队完善,基础研究在国际上也具有一定地位,为我国纳米材料研究奠定的基础。
  3 纳米催化剂在水处理中的应用
  1)纳米材料作催化剂的优点及光催化原理。纳米材料的尺寸非常小,1 nm=10-9 m,这么小的颗粒比表面积非常大,并且颗粒表面的键态与电子态与颗粒内部有很大区别,表面原子配位不全会导致表面的活性位置增加,表现出催化特性。对纳米材料表面特性进行研究发现,随着粒径的减少,表面光滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,提高了水处理中化学反应的接触面。研究学者对超微粒进行研究发现,其作为催化剂能够提高化学反应的效果。光催化材料具有无污染,使用方便、节约能源等优点,其中半导体的光催化效应是指:在光的照射下,价带电子跃迁到导带,价带的孔穴会将周围环境的羟基电子吸引过来,使得羟基变为自由基,成为强氧化剂,将酯类最终变成CO2,保证有机物能够完全降解,但是采用这种光催化剂在催化过程中半导体的能隙不能太宽也不能太窄,否者光催化效应的效果不好。
  2)TiO2光催化剂的优缺点和纳米TiO2的优势。TiO2具有良好的光催化效果,是水处理常用的光催化剂,其主要特点为:催化条件简单,只需要太阳光即可,光催化剂吸收太阳光中的紫外线,表现出较强的氧化性;在酸碱性变化较大的污水中也能保证稳定性;污水处理中不产生有毒物质和有毒气体。
  但是由于TiO2的禁带宽度为3.2 eV,只能吸收太阳光中波长<387 nm的紫外线,光利用率低,另外TiO2的光量子效率也很低,有待进一步提高。研究学者发现纳米TiO2材料比一般的半导体材料的催化效果好,主要是因为:①由于量子尺寸效应使得导电和价带能级变成了分立级能,能隙变宽,导电电位变得更低,但是价带电位变得更高,使得纳米材料表现出更强的氧化效果和还原能力;②由于纳米半导体粒子的粒径非常小,能够通过扩展效应从粒子内迁移到表面,有利于得到或失去电子,保证氧化反应的正常进行。
  3)纳米TiO2在水处理中的应用。纳米科技的发展为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。
  ①有机污染物的处理。在太阳光的照射下,纳米TiO2通过产生的电子和空穴,表现出强还原性和氧化性,提高有机物降解的速度,氧化的产物为CO2、H2O等一些简单的无机物。目前纳米TiO2能够氧化一些脂肪酸、芳香酸和酚类等有机物,也能降解燃料、除草剂、杀虫剂和表面活性剂等一类物质。在利用纳米材料进行光催化过程中,纳米TiO2作为空心小球,当有机物通过这些小球时就会附着在上面,利用太阳光中的紫外线完成降解过程。
   ②无机污染物的处理。除有机物外,许多无机物在纳米表面也具有光化学活性,例如对Cr2O72-离子水溶液的处理,利用TiO2悬浮粉末经光照将Cr2O72-还原为Cr3+对含氰废水的处理,以TiO2光催化剂将CN-氧化为OCN-,再进一步反应生成CO2、N和NO3-;用Ti02光催化法可从Au(CN)4中还原Au,同时氧化CN-为NH3和CO2,该法可用于电镀工业废水的处理。不仅能还原镀液中的贵金属,而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染,是一种有实用价值的处理方法。大量试验结果表明,纳米TiO2光催化反应对于工业废水具有很强的处理能力。但值得一提的是,由于光催化反应是基于体系对光能量的吸收,因此要求被处理体系具有良好的透光性。对于高浓度的工业废水,若杂质多、浊度高、透光性差。反应则难以进行。因此该方法在实际废水处理中,适用于后期的深度处理。
  ③微生物的灭杀。纳米TiO2微粒本身对微生物无毒性,当他们聚集在一起形成一定规模后才会对微生物造成一定危害。纳米TiO2光催化可以通过直接或间接方式消灭微生物,直接方式主要是利用太阳光激发TiO2,使得纳米材料出现光生电子和光生空穴,直接导致细胞壁、细胞膜破损,细胞因为功能性单元失活而出现细胞坏死。在悬浮液体中,TiO2颗粒可以吸附在微生物的表面,或者被生物体细胞吞噬,这些纳米TiO2颗粒利用产生的光生空穴和活性氧化直接与细胞内的组分发生化学反应,使得细胞失活。由于太阳光激发TiO2颗粒产生空穴具有非常强的氧化效果,并且生成的活性物质具有很强的反应活性。因此,不论是在悬浮液中还是在光阳极表面,太阳光激发TiO2颗粒均能够杀死乳酸杆菌、面包酵母菌、大肠杆菌以及海拉细胞、T24细胞等。
  纳米技术作为21世纪前沿科学能够在环境保护中表现出极大的应用前景,可以预见,随着纳米技术研究的不断深入和实用化进程的加快,纳米水处理技术将在本世纪得到充分的发展,在污水处理中取得令人振奋的成果。
  参考文献
  [1]乔仁桂,崔德明,纳米技术的发展及纳米催化剂在水处理中的应用[J].能源与环境,2007.
  [2]梁奇峰,曾育才.纳米技术及其在水处理中的应用[J].广州化工,2004.
  [3]张洋.纳米技术在水处理中的应用[J].广东科技,2007.

论文来源:《科技与生活》 2012年第3期
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