纳米材料与技术在水处理中的应用

第1期纳米技术是指在0．1～100nm 尺度范围内，研究电子、原子核分子的内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门新学科［1］。自20世纪90年代以来，纳米技术发展迅猛并在陶瓷、催化、生物、医药等方面取得巨大成就并影响渗透到各个领域。纳米技术在环境保护方面中的应用起步较晚，但却为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。随着社会经济的发展，目前世界水污染问题日趋严重，水处理问题也变得越来越严峻。我国污水治理工艺诞生至今，经历了物理法、化学法、生物法和物理化学方法。但上述传统的污水处理方法效率低、成本高并且有的存在二次污染，使得污水治理一直得不到很好的解决。纳米技术的出现及其在水处理中的研究发展，使得水处理技术取得了较大的突破，有望彻底解决传统水处理技术存在的难题。本文将从纳滤膜技术、纳米光催化技术、纳米还原性材料及纳米吸附性材料等4个方面介绍纳米材料与技术在水处理中的应用。

1纳米材料及其特征

纳米材料又称超微颗粒材料，是指构成材料

的结构单元的尺度是纳米尺度。纳米材料一般分为纳米颗粒、纳米薄膜和纳米固体。当材料尺寸进入纳米级时，会产生许多传统固体所不具备的性能，主要包括表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。另外，由于尺寸很小，纳米材料通常拥有很大的比表面积，表面原子配位的不饱和性会导致大量的悬键和不饱和键，使纳

米材料具有很高的化学活性。这些特殊性使纳米材料在机械性能、磁、光、热、电等方面与普通材料有很大的不同，具有辐射、吸收、催化、吸附等新的特性。目前用于水处理的纳米材料主要可以分为

4种：纳滤膜材料、光催化材料、纳米还原性材料

及纳米吸附性材料［2］。

2

纳米技术在水处理中的应用

2．1

纳滤膜技术

纳滤膜是介于反渗透和超滤之间的一种压

力驱动膜，孔径范围介于1～5nm 。纳滤的特点是：（1）在过滤分离过程中，它能截留小分子的有机物并可同时透析出盐。（2）操作压力低。因为无机盐能通过纳滤膜而透析，使得纳滤膜的渗透压远比反渗透低。R．Rautenbach 等人把纳滤膜的应用归纳为以下3种场合［3］：（1）对单价盐并不要求有很高的截留率；（2）欲实现不同价态的离子的分离；（3）欲实现高相分子质量与低相分子质量有机物的分离。饮用水的软化和有机物的脱除是纳滤膜最大的应用领域。目前纳滤膜法软化水在美国已经很普遍，已替代常规的石灰软化和离子交换过程。除此应用外，纳滤膜在海水及苦咸水的淡化、受污染地下水的处理、含金属废水的处理以及工业废水的处理效果比较理想［4］。

纳滤膜的研究始于20世纪70年代，早期的纳滤膜研究主要聚焦于有机膜，如醋酸纤维膜，磺化聚砜膜，磺化聚醚砜膜，聚酰胺膜和聚乙烯醇膜等。但是有机膜的耐溶剂、耐腐蚀、耐温度性都很差。无机纳滤膜具有良好的生物和化学稳定

纳米材料与技术在水处理中的应用

杨召营1，李晓静2

（1．山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东德州253024；2．海军工程大学天津校区，天津300450）摘

要：从纳滤膜技术、纳米光催化技术、纳米还原性材料及纳米吸附性材料等四个方面介绍了纳米材

料与技术在水处理中的应用，并对发展前景进行了展望。

关键词：纳滤膜材料；纳米光催化材料；纳米还原性材料；纳米吸附性材料；水处理中图分类号：TQ 085

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2012）01-0023-03

收稿日期：2011-10-13

第41卷第1期2012年1月

化工技术与开发

Technology &Development of Chemical Industry

Vol.41No.1

Jan.2012

化工技术与开发第40卷

性，对有机溶剂有很好的抵抗性。但是由于无机纳滤膜比较脆，很难加工，所以应用也受到了限制。复合纳滤膜是近年来研究比较热门的一种新型膜，复合纳滤膜的应用可以大大改进膜的截留性能［5］。尽管纳滤膜确切的传质机理尚不清楚，却没能阻止纳滤膜应用的快速增长。相信随着对纳滤膜技术及其相关过程的进一步研究和开发，它的应用前景将会更加广阔。

2．2纳米光催化技术

光催化降解是一项新兴的颇具发展前途的废水处理技术，它是指污染物在光照下，通过催化剂实现分解［6］。光催化技术具有反应条件温和、能耗低、操作简便、能矿化绝大多数有机物、可减少二次污染及可以用太阳光作为反应光源等突出优点，在难降解有机物、水体微污染等处理中具有其他传统水处理工艺所无法比拟的优势，是一种极具发展前途的水处理技术，对太阳能的利用和环境保护有着重大意义［7］。常用的光催化剂大多是金属氧化物或硫化物等半导体材料，如TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等，其中以纳米TiO2的研究最为深入。在利用纳米TiO2光催化技术实际应用于水处理的实践研究中，美国、日本以及英国最为领先［8］。综合现有文献资料不难发现，纳米TiO2光催化氧化法对水中污染物的去除具有广泛的适用性，对水中卤代脂肪烃、染料、硝基芳烃、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药等都能有效地进行降解［8］。除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，目前研究较多集中在含铬废水、含氰废水、含砷废水的处理以及贵金属的回收［9~10］。另外利用TiO2形成较大的聚集体时可以包裹微生物的特性，可利用TiO2对微生物进行灭杀［11］。纳米TiO2的光催化氧化法机理研究及其改性与应用近几年取得了可喜的成就，但就目前而言多数仍处于实验室阶段，尚未形成大规模的产业化。相信随着光源利用率、催化剂催化活性、反应器设计、有机物降解规律的深入研究，以及光催化技术与其它多项工艺的联用，纳米光催化技术在水处理方面的应用将迎来更广阔的前景。

2．3纳米吸附性材料

纳米材料所具有的表面效应，使纳米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面积，所以纳米材料在高性能吸附方面表现出巨大的潜力。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纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，体现到表观上即是对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米离子的大比表面积，也是其具有吸附作用的重要原因。目前用于水处理方面的吸附性材料很多，其中天然的材料主要有天然黏土、天然沸石和硅藻土等。黏土矿物是天然的无机矿产，具有天然的净化功能，具有大的离子交换容量和较大的比表面积，吸附性能良好，对废水中的阳离子有着特殊的处理功效。沸石是具有分子筛作用的物质之一，是一种优良的离子交换剂和吸附剂，天然沸石可用于脱除废水中的氮、有机物及重金属等有害离子。硅藻土是一种非常轻的，耐用的多孔材料。天然硅藻土源自海中浮游植物的化石骨架，表面有大量的硅羟基官能团，比表面积高达50～200m2·g－1，是一种性能良好的吸附性材料。人工合成的纳米吸附性材料也很多，如碳纳米管、分子筛、活性炭等。碳纳米管是单层或多层石墨层卷曲而成的管子，有较大的比表面和疏水的石墨表面，是一种新型的吸附剂。目前的研究表明［12］，碳纳米管对环境污染物吸附性能良好，其电子传输性能使其在与光催化活性组分构成复合材料时，可显著提高光催化材料的催化效率，碳纳米管本身也可作为某些类型有机污染物催化湿式降解的催化剂，同时，碳纳米管良好的机械强度、良好的化学稳定性和独特的纳米结构，使其成为一种良好的水处理吸附剂和催化剂载体。目前国内外在此方面的研究方兴未艾，可以预见，关于碳纳米管水处理材料的研究未来仍会成为众多研究工作者关注的焦点。

2．4纳米还原性材料［13］

20世纪80年代以来，纳米零价金属作为有效去除水中污染物的还原剂逐渐受到人们的关注，目前的研究主要涉及纳米铁、纳米镍、纳米锌等。由于铁化学性质活泼，Fe O的电负性大，还原能力强，因此近年来研究比较活跃。纳米零价铁对废水的处理主要是还原作用、微电解作用、混凝作用、吸附作用等综合作用的结果。据L．J．Matheson等报道，在Fe0-H2O体系中存在3种还原剂，金属铁（Fe0）、亚铁离子（Fe2＋）和氢气（H2），因此有机氯化物的脱氯过程有3种可能的反应

24