纳米技术在水处理中的应用研究.doc

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免费文档下载/本文档下载自文库下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html纳米技术在水处理中的应用研究纳米技术在水处理中的应用研究张艳奇等?纳米技术在水处理中的应用研究张艳奇，朱友利（云南国土资源职业学院环境地质系，昆明；重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆）摘要在介绍了纳米技术概念、纳米材料特性、纳米技术应用于水处理中的相应机理及优点的基础上，重点综述了近年来纳滤膜（）技术、纳米材料光催化技术和纳米材料吸附技术在水处理中的应用及研究进展，并指出了今后应着重研究的几个方面，旨在促进其相关研究的发展。关键词纳米技术水处理纳滤膜技术纳米材料光催化技术纳米材料吸附技术中图分类号：文献标识码：（，；，），/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html，（），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。因此，需要在传统水处理技术工艺的基础上开发适应现代经济发展模式、科技含量更高、更为有效、适用且环境友好的新型水处理面应用的科学与技术。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度上构架的功能性结构。纳米材料指构成材料结构单元的尺度是/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html纳米尺度，并且用到的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质，纳米材料在三维空间中至少有一维处在纳米级范围（）或由它们作为基本单元构成。纳米材料一般分为纳米颗粒、纳米薄膜（多层膜和颗粒膜）和纳米固体。工艺技术。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川，有望解决传统水处理技术存在的问题。纳米材料特性纳米材料由于具有极小的尺寸（）而产生了常规材料所不具备的新效应“。（）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被破坏，光、声、电、磁、热力学等特性会表现出新的小尺寸效应。纳米材料具有的小尺寸效应使其吸附能力加强，比表面积增大。（）量子尺寸效应。当微小粒子的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据的分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级和能隙变宽，此现象称为量子尺寸效应。纳米半朱友利：通讯作者，男，年生，博士研究生，研究方向为水污染纳米技术及纳米材料特性纳米技术纳米技术是世纪年代末诞生并正迅速崛起的新技术，是以纳米级（）的物质或结构为研究对象，通过一定的微细加工来操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列结合，形成新的具有纳米级尺度的物质或结构，并研究其特性，以此来研发具有新功能的材料、器件及其它方张艳奇：男，年生，研究方向为黏土工程及相关材料技术控制原理与技术：?材料导报年/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html月第卷专辑光催化反应来说，光生空穴的捕获并与给体或受体发生作用才是最有效的。光生空穴（）具有很强的得电子能力（即强氧化性），可夺取半导体表面有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活化氧化，而电子受体则可通过接受表面上的电子被还原。纳米材料在水溶液中的光催化氧化反应中，在半导体表面失去电子的主要是水分子，水分子经一系列催化氧化反应后生成氧化能力极强的羟基自由基（?），?是水溶液中存在的反应活性最强的氧化剂，几乎能无选择地将纳米光催化剂表面的有机物氧化，并最终降解为。和：（），也有部分有机物与光生空穴（）直接反应。半导体光催化氧化主要依赖于这种高度活性的光生空穴，且?在光催化氧化中起着决定性作用。迁移到表面的电子（）则具有很强的还原能力，可还原去除水体环境中的某些特定污染物（如重金属离子）。因此，半导体表面的光生空穴（一）和光生电子（一）形成一个具有强氧化还原特性的氧化还原体系。纳米材料在水处理中的光催化氧化机理可以归纳如下：纳米光催化材料，一一导体材料具有的量子尺寸效应使其氧化和还原能力增强。（）宏观量子隧道效应。微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米材料具有的宏观量子隧道效应使其在电磁场的辐射下原子、电子运动加剧。促使磁化，增加了对电磁波的吸收。（）表面效应。表面效应是纳米材料中最重要的效应之一是指纳米材料表面原子数随其结构尺寸的减小而急剧增多后引起的性质上的变化。纳米材料表面原子数的剧增导致原子配位的不足，使得纳米结构存在许多表面缺陷且极不稳定，很容易与其它原子结合。纳米材料具有的表面效应使其表面活性增强、比表面积和表面自由能增大，导致纳米材料比其它材料更容易通过扩散使其内部粒子迁移到表面，有利于电子的得失，促进其表面的催化氧化反应。纳米材料由于具有以上种效应。从而具有奇异的辐射、吸收、催化、吸附等特性。纳米技术在水处理中的应用形式及相应机理纳米技术在水处理中的应用形式按作用原/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html理的不同，纳米技术在水处理中可分为种应用形式。（）纳米过滤（，），是一种由压力驱动的新型膜分离过程，介于反渗透与超滤之间。纳滤膜的孔径范围在纳米级，其截留相对分子质量范围为数百道尔顿。纳米过滤有两个特点：一是在过滤分离过程中，能截留小分子的物质并可同时透析出盐，即集浓缩与透析为一体；二是操作压力低、水通量大，在纳滤过程中无机盐能通过纳滤膜而透析，使纳滤的渗透压远比反渗透低。（）纳米光催化是污染物在特定光照下通过纳米光催化剂实现降解。（）纳米吸附，是由于纳米材料特殊结构使其能吸附去除污染物。（）一一?一（）（）一十一（）（）（）（一一?（）有机物?（）（）：一其他产物”（金属离子）（）纳米吸附机理卫：由于纳米材料表面效应，其具有高表面活性、大比表面积和高表面自由能，从而具有优越的吸附性能，可以作为吸附剂吸附去除水中的杂质。纳米技术应用于水处理的机理（）纳米膜过滤机理口：由于纳米膜具有真正的微；孑径（），所以纳米膜具有一定的分子筛分作用和选择透过性。即溶液中一些微小离子能通过纳米膜，而大部分组分被截留，从而达到过滤分离、浓缩的效果。（）纳米光催化机理“引：纳米光催化是纳米技术应用于水处理中最关键也是最富有前景的应用形式。根据固体能带理论可将固体看成是一个大分子，它是由许多小分子或原子在空间以一定方式排列而成。充满电子的最高能带为价带（，），未充满电子的最低能带为导带（图纳米光催化原理图://doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.htmlr，），价带与导带之间的区域称为禁带，），价带中最高能级与导带中最低能级之间的能量差叫作禁带宽度（简写为），根据可将固体分为导体、半导体和绝缘体种类型。半导体的一般在之间，当外加能量大于或等于时，电子可从价带移动到导带而导电，如图所示。当半导体受波长小于或等于其禁带激发波长的光照射时，半导体价带上的电子获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子（一）在价带上形成相应的光生空穴（一）。半导体光激发时产生的电子一空穴对（）可在半导体体相或表面相互复合消耗热能，也可与半导体表面的物质发生氧化还原反应。对于纳米纳米技术应用于水处理的优点与传统的水处理技术相比，纳米技术应用于水处理的优点列于表。：。纳米技术在水处理中的应用与研究纳米过滤在水处理中的应用与研究纳米过滤（）由于具有分离效率高、不易造成二次污染等优点而被广泛应用于水处理。“等用种纳米技术在水处理中的应用研究张艳奇等不同的有机膜（超滤（）、反渗透膜（）处理造纸厂废水，结果表明，纳滤膜对总有机碳（）、化学耗氧量（）和有机物的去除效果较和膜好，且对三者的去除率均高于。等采用孔径为的一纳滤膜分别处理种单一染料溶液和种工业染浆溶液，去除率均高于。袁其朋等用截留分子量为的超滤膜处理大豆乳清废水，结果表明，可回收几乎所有的蛋白质，超滤透过液经选择出的纳滤膜浓缩，大豆低聚糖中功能性成分水苏糖和绵子糖的回收率超过，纳滤透过液经反渗透处理可回收大量纯水。潘巧明等采用膜生物反应器（）与纳滤（）相结合的集成膜技术处理糖蜜制酒精废水，结果表明，处理后出水的，色度降低到，水质达到/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html国家一级排放标准，废水回收率大于。刘梅红等口叩采用醋酸纤维素纳滤膜处理染料废水，结果表表?明，纳滤膜技术能有效截留废水中的染料和有机物，而废水中的无机盐则几乎能透过膜，膜对废水的色度和的去除效果也较好。纳滤膜可以替代吸附和电化学方法处理制浆与造纸工业废水中大量的污染物，除去深色木素和来自木浆漂白过程中产生的氯化木素，有报道称用膜技术处理牛皮纸生产废水具有很好的效果“。美国公司研发的“膜”（也称“水软化”膜）主要是应用于水质软化，该纳滤膜的操作压力为，能去除水中的硬度及的单价离子。该纳滤膜在美国已经得到普遍应用，美国佛罗里达州近年来新建的软化水厂都采用膜法软化，且软化效果良好“。纳滤膜也常用来处理受污染的地下水、重金属废水、造纸废水等，且处理效果都较好，如采用超滤一纳滤联合技术处理牛皮纸制造废水具有很好的效果。纳米技术应用于水处理的优点纳米光催化在水处理中的应用与研究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、：、。等“。等以一氯酚溶液为模拟废水考察了。一：光催化剂的光催化活性，结果表明，掺杂后的。光催化活性较纯。显著提高，最佳掺杂质量分数为。等采用溶胶一凝胶法制备了和十双金属掺杂的光催化剂，并用于处理苯酚废水，结果表明，该催化剂较纯。和单一金属掺杂的。有更高的光催化活性，”、计的最佳掺/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html杂质量分数分别为和。等用纳米：光催化剂与臭氧结合进行水的深度净化处理，后一氯酚的残留浓度几乎为。等口在间歇式反应器中用纳米。作催化剂，对降解速率，内已有的被光催化降解，后则降解完全。纳米光催化由于在紫外线照射下能产生氧化能力极强的羟基自由基（?），具有很强的化学活性，能与多种有机物发生反应，从而具有很好的灭菌效能。实验证明咖，纳米：对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、芽杆和曲霉菌等具有很强的杀灭能力，在玻璃上涂一薄层：，光照可达到杀灭大肠杆菌的效果，光照可使毒素的含量控制在以下。等口胡的研究也表明，将纳米涂在强烈的日光或人造光源下可发生氧化还原反应，并产生大量氧化能力极强的羟基自由基与活性氧，可捕捉、杀灭工业循环水及其补充水中的细菌及浮游微生物，其杀菌能力可达。新材料纳米：在一定光照条件下对病毒和细菌（如金黄色葡萄球菌、克雷伯氏菌、大肠杆菌等）的杀灭效果非常理想，在弱光照条件下也能杀灭大部分病毒。迄今为止，研究者已发现有多种难降解的有机化合物可在紫外线的照射下通过纳米。迅速降解。目前，美国、日本、德国、英国等已将纳米光催化技术应用于污水深度处理实际工程，。酸陛和碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机碳总量（）的去除率可达到，并使废水完全脱色。藻毒素是一些藻类作为次生代谢产物产生的毒素，能抑制蛋白磷酸酶的活性，因而具有很强的肝毒性。在已发现的各种藻毒素中，微囊藻毒素（，）是一类在蓝藻水华中出现频率最高、造成危害最严重的藻毒素。等口的研究表明，的高浓度微囊藻毒素可在的：光催化下迅速降解，实验开始的前降解率为，降解为，后则残余量在检测极限以下，如果往降解系统中加入：/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html。可以显著提高纳米吸附在水处理中的应用与研究纳米材料或纳米复合材料由于特殊结构而具有良好的吸附和交换性能，能用于吸附去除水中的杂质。等口研究了天然硅藻土纳米材料和。改性硅藻土纳米材料对上的吸附，其吸附容量分别为和。曾秀琼阳用羟基铁对膨润土进行改性，在适宜条件下，其对弱酸性深蓝的去除率高达以上，吸附机理主要为?材料导报年月第卷专辑表面吸附、离子交换和分配。等用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（）改性高岭土、蒙脱土、柱状膨润土等生成的纳米材料吸附水中的铬酸盐，效果良好。等口阳用高岭土、膨润土和蒙脱石及经改性的有机粘土纳米材料吸附去除水中的杀虫剂马拉硫磷（）和去草胺（），结果表明，改性后有机粘土纳米材料的吸附能力显著提高。丘等到用蒙脱石一或的磷酸盐交联化合物纳米材料吸附水中的种除草剂敌草快（）和脱异丙基阿特拉津（），结果表明，一蒙脱石的吸附效果优于一蒙脱石。等刨用改性蒙脱土和蛭石纳米材料吸附去除除草剂，一二氯苯氧基丙酸，结果表明，改性有机蒙脱土去除效果较好。利用纳米技术将水合氧化铁颗粒镶嵌在大孑径阴离子交换树脂表面，可形成具有可再生能力的吸附剂，其中，氧化铁颗粒可对磷酸根进行吸附。这种纳米吸附剂对磷酸根离子具有较强的亲和力，而一、。和一对其干扰较小。吸附剂便是通过聚合离子交换树脂原位内嵌纳米氧化铁颗粒制成，其粒径为“。吸附剂已成功应用于英国某污水处理厂生物滤池出水磷回收，结果显示，出水磷含量在规定范围以内。湖南某公司研发的“氏法”纳/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html米水处理技术包括氏纳米超高效净水剂（）、氏纳米超高效絮凝剂（一）和氏纳米超高效杀菌消毒净水剂（一），分别在实验室和污水厂进行小试和生产性试验研究，结果表明，氏纳米超高效系列水处理剂除污、消毒、杀菌的效果均大大优于目前各城市污水处理厂所用的传统净水剂、絮凝剂和杀菌消毒剂；在相同的处理条件下，使用氏纳米超高效系列净水剂（一）和絮凝剂（一）与使用传统的净水剂聚合氯化铝（）、絮凝剂聚丙烯酰胺（）相比，其絮凝、沉降时间分别缩短和，而去除率则平均提高倍。结语纳米技术（包括纳滤（）、纳米光催化和纳米吸附）由于具备传统水处理技术所不具备的诸多优势而在水处理中具有广阔的应用前景，有望使我国的水处理技术变得高效、低耗、低投入，促进我国水处理事业的蓬勃发展。笔者认为，纳米技术在今后的水处理领域的研究重点有以下个方面。（）深入研究纳米技术在水处理中的相关机理，如纳米材料的微观结构和性能的深入研究，纳米材料制备中结构的控制及性能的稳定性研究，以及在此基础上研发效率更高的纳米水处理材料。（）随着纳米技术的发展，品种更为齐全、性能更为优越的新型纳米水处理剂将不断问世，因此应积极研发与这些水处理剂相适应的成套水处理工艺和设备，提高纳米技术在水处理中的应用效率。（）将纳米技术与现有的水处理技术进一步有机结合，这不仅能扩大纳米技术在水处理中的应用范围，而且能为彻底改善水处理环境和从源头上控制新的污染源的产生创造有利条件。（）纳米技术与其它检测技术联合应用于痕量有毒元素的分析测定，如纳米。具有很强的吸附性能，是痕量金属离子分析的理想分离富集材料，其与石墨炉原子吸收法（）联用能很好地分析测定环境中痕量的镉。参考文献张强纳米固定化技术口环境科学与技术，（）：/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html刘转年，金奇庭，周安宁纳米技术处理废水环境污染治理技术与设备，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html覃爱苗，廖雷纳米技术及纳米材料在环境治理中的应用中山大学学报：自然科学版，（）：王光辉纳米光催化技术及其在环境污染治理中的应用环境科学与技术，（）：肖奇，邱冠周，胡岳华，等纳米制备及其应用新进展材料导报，（）：金华峰，李文戈复合纳米微粒的合成及光催化降解应用化学，（）：蒋正静，戴洁锌、镉掺杂纳米级钛酸铅的制备及对活性翠蓝的光催化降解应用化学，（）：程沧沧，肖忠海，胡德文，等一试剂系统处理制药废水的研究环境科学研究，（）：（），（）：王俊珍钙钛型一。催化降解水溶性染料环境科学与技术，（）：高铁，钱朝勇光催化氧化水中有机污染物进展工业水处理，（）：，/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html，（）：，（）：袁其朋，马润宇膜分离技术处理大豆乳清废水水处理纳米技术在水处理中的应用研究张艳奇等技术，（）：潘巧明，楼水通膜法处理糖蜜制酒精废水的初探水处理技术，（）：刘梅红，姜坪膜法染料废水处理试验研究膜科学与技术，（）：，（）：朱晓兵，周集体，邱介山，等纳米材料在水处理中的应用研究工业水处理，（）：万金保纳滤膜处理酸洗废液新工艺膜科学与技术，（）：，。/doc/d8ef3d3d453610661ed9f4e4.html七，（）：，一：，一，（）