纳米材料与技术在水处理中的应用综述

陈永祥，陶燕彬，刘 芸

（1.武汉市政设计研究院，湖北 武汉430074；2.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉430072）

1 引言

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。中国的废、污水排放总量极大，约占世界的10%以上，而国内生产总值约占世界的5.5%。据了解，中国城市污水处理率只有36%［1］，而且未经处理的污水基本上都是直接排放到江河湖海，破坏了生态环境，使环境愈发恶劣，因此污水处理技术越来越重要。污水处理就是要尽量把水中的有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、细菌病毒等除去，以保证水质。传统的水处理方法如吸附法、混凝法、活性污泥法等在实际处理中确实取到了一定的效果，但也存在很大的弊端：存在包括效率低、成本高、存在二次污染等问题。中国的污水处理工艺迄今为止经历了很多方法如物理法、化学法、生物法和物理化学法等，但是这些传统的方法已经很难满足现阶段对水处理的要求。而纳米技术作为一种新兴技术的出现，使得水处理技术取得了较大的突破，在近些年的纳米技术的研究进展中可以看出，纳米技术有望彻底解决传统水处理技术中存在的难题，达到人们的标准。

2 纳米材料与纳米技术

纳米材料又称为超微颗粒材料，是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或由纳米粒子作为基本单元构成的材料。纳米量级的材料因其物质颗粒接近原子大小，其物质的性能发生突变，产生了常规颗粒所不具备的效应：表面与界面效应、体积（小尺寸）效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。从而在机械性能、磁、光、电、热等方面与传统材料有很大的不同，具有辐射、吸收、催化、吸附及二元协同性等许多新特性，使得它在材料、医学、生物工程及环境保护等方面有着广阔的应用［2］。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、医药等方面取得了巨大成就并影响渗透到各个领域［3］。纳米材料是21世纪最有前途的材料，对纳米材料和纳米技术进行研究，把纳米材料与技术应用于各个实际领域尤其是应用于水处理领域，将带来意想不到的效果，为人类治理环境开辟了新道路。

3 国内外研究现状及发展趋势

随着纳米技术的发展以及在各大领域取得的成果，国内外学者都十分重视纳米技术。纳米技术作为一种新兴的技术，在未来发展中肯定会起到不可替代的作用。在水处理领域国内外学者均开展了纳米水处理技术的研究工作，并取得了一定的进展，高端的纳米水处理技术也渐渐转入实用阶段。

美国在1998年开始就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年制定了大量的纳米科技研究项目，包括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［4］。在水处理领域中，1976年Carey等［5］研究发现在紫外光照射下，纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氮；Nam等［6］在厌氧条件下使用粒状单质铁研究了9种偶氮染料的还原脱色降解，结果表明各种染料都能很快脱色降解；加利福利亚大学Lawrence Livermore国家实验室［7］最近开发了一种新型的碳纳米管，可降低去除盐分的费用，比反渗透法过滤的水量更多更有效。这些都足以说明国外对纳米材料的研究非常重视，在今后一段时间内纳米技术都是国际上的研究热点和方向。

我国纳米技术和纳米材料始于20世纪80年代末，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［8］，如：大面积定向碳管阵列合成；超长纳米碳管制备；氮化镓纳米棒制备；硅衬底上碳纳米管阵列研制成功；准一维纳米丝纳米电缆制成；苯热法制备纳米氮化镓微晶。在水处理领域中，天津大学的王俊珍等人［9］通过实验发现，颗粒在20～30nm的SrFeO3－X悬浮体系可使各种不同水溶性燃料溶液降解脱色；史亚君［10］以纳米TiO2光催化处理制革废水，发现处理后出水的COD和色度去除率以及可生化性都大大提高；莫德清［11］采用铸铁屑与过氧化氢联合降解硝基苯废水，在酸性条件下有利于铸铁屑与过氧化氢联合降解硝基苯废水，硝基苯的降解率随初始浓度的降低而升高，可见铸铁屑与过氧化氢联合降解法在处理低浓度的硝基苯废水时效果尤其好。但是我国纳米科技水平与美、日、英、德等发达国家相比还是有一定差距的，有待更进一步的发展。目前我国已经有更多的人加入研究纳米技术方面，形成了专业的科技团队，在国际上也具有了一定地位，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。

4 纳米技术在水处理中的应用

4.1 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，是指污染物在光照下，通过催化剂实现分解［12］。光催化纳米材料能够很好的去除水中的有机和无机污染物，光催化纳米材料能将水中的绝大多数有机污染物转化为无污染的物质，主要应用于化工、染料、农药、造纸等有机废水的处理，它能将烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、有机染料、含氮有机物等污染物完全氧化为无害物质。此外在处理无机废水方面，由于无机物在纳米粒子表面具有光化学活性，能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附于表面，并利用光生电子将其还原为细小的金属晶体，并沉积在催化剂表面，这样既消除了废水的毒性，又可从工业废水中回收贵重金属［1］。

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，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际研究中，美国、日本以及英国最为领先［13］。TiO2是公认的最有效光催化剂。在众多光催化剂中TiO2是目前公认的最有效的半导体催化剂，其特点有［14］：化学性质稳定，能有效吸收太阳光谱中弱紫外辐射部分，氧化还原性极强，耐酸碱和光化学腐蚀，价廉无毒（表1）［2，15，16］。

表1 利用纳米TiO2光降解有机物统计

4.2 纳滤膜技术

近几十年来，膜分离技术作为一种高新清洁生产技术快速发展起来，它是利用膜对混合物各组成选择性渗透的差异，来实现分离、提纯或浓缩的新型分离技术［17］。目前国内外膜分离领域研究的热点为纳滤膜，纳滤（NF）是膜分离的一个新领域，介于反渗（RO）透与超滤（UF）之间。在过滤分离中，纳滤膜能够截留小分子有机物并且可以透析出无机盐，而且纳滤膜的渗透压远比反渗透低，因此操作也更加容易。纳滤膜的两个特性决定了其在水处理方面具有独特的作用：依据电荷效应，纳滤膜可以降低水质硬度，去除水体中对人体有害的硝酸盐、砷、氟化物和重金属等无机污染物；依据筛分效应，纳滤膜可以有效地去除农药残留物、三氯甲烷及其中间体、激素以及天然有机物等有机污染物［18］。纳滤膜在很多领域都有所成就，饮用水的软化和有机物的脱除是纳滤膜最大的应用领域（表2）［19，20］。

表2 纳滤膜应用于水处理结果统计

4.3 纳米还原性材料

以纳米级的零价金属作为还原剂可有效去除水中的污染物，目前研究较多的是纳米铁。由于纳米粒子的小尺寸造成的巨大的表面积，因此有着优良的吸附性能和反应活性。纳米级还原性金属的吸附性能尤其突出，其反应活性也比传统金属高上几百倍。据L J Matheson等［21］报道，在Fe0与水反应，在其存在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种可能的反应途径以及吸附作用。另外，在偏酸性条件下处理废水时产生大量的Fe2＋和Fe3＋，当pH值调至碱性并有氧存在时，会生成Fe（OH）2和Fe（OH）3絮状沉淀，Fe（OH）3还可能水解生成Fe（OH）2＋、Fe（OH）3＋等络离子。它们都具有很强的絮凝性能，因而可以吸附水中不溶性的污染物。

Alowitz等［22］研究了零价铁还原硝酸盐和亚硝酸盐的反应动力学问题，研究发现亚硝酸盐要比硝酸盐容易还原的多，硝酸盐按照化学计量比全部转化为铵。Y Xu等［23］将Ag＋沉积于纳米铁粉上制得Fe／Ag双金属粒子，并研究其对氯苯的降解能力，发现纳米Fe／Ag可有效将多氯有机物还原成低氯有机物。J Feng［24］等采用纳米Fe0及纳米Fe／Ni粒子降解地下水及废水中的CCl4，发现加入浓度为2.5g／L的纳米金属粒子短时间内即可将CCl4完全降解。美国莱海大学张伟贤教授［25］领导的研究小组合成出一种直径小于50nm的纳米Fe0，可快速使地下水恢复清洁。纳米零价铁对各种废水均能起到一定的处理作用，由此可见纳米还原性技术具有十分重要的意义。

4.4 纳米吸附性材料

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粒子表面羟基的作用。纳米粒子表面的羟基能够和某些阳离子键合，从而实现对金属离子和有机物的吸附，另外纳米粒子的大比表面积也是其具有吸附作用的重要原因［26］。利用纳米材料的吸附性能，可吸附消除水中的多种有害污染物从而达到净化水的目的。目前应用于水处理方面的纳米吸附性材料主要有碳纳米管、纳米SiO2等。

Lu CS等人［27］研究了多壁碳纳米管对饮用水中三卤甲烷的吸附情况，发现其吸附能力是商业氧化铝的2～3倍。目前的研究表明［28］，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。田立安等［29］将高纯纳米微孔硅藻土改性作为水处理剂，发现其能够使污染物和细菌迅速下沉与水体分离，加以简单消毒即可达到中水回用标准要求。将吸附性纳米材料用于污水处理净化剂、絮凝剂和杀菌消毒剂中，治污效果非常好，而且缩短了处理工艺流程。吸附性纳米材料在水处理方面的应用也已经逐步成为研究学者关注的焦点。

5 结语

纳米技术是一门新兴的学科，可以说是21世纪最有前途的技术。随着纳米技术研究的不断深入，人们对环境的日益重视以及对水质要求的提高，纳米技术及材料在环境保护领域尤其是水处理方面的应用也会越来越广泛。纳米光催化技术、纳滤膜技术、纳米还原性技术及纳米吸附性技术在水处理领域都取得了一定的成就，不过也存在一些不足，需要我们继续深入的开展研究。可以预见，随着纳米技术研究的深入以及运用到实际领域，纳米水处理技术将会不断发展进步，并且在实践中越来越成熟。全世界的研究学者都对纳米技术非常重视，纳米技术必将对未来的环境保护、水处理以及实现可持续发展产生巨大的作用，具有广阔的应用前景。

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