浅谈纳米材料在水处理领域的应用研究进展

丁红军，冉茂卫，阎锡坤

（郑州清源智能装备科技有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

通常而言，纳米材料主要是指在三维微观结构之中，至少存在有一处一维处于纳米尺度1 ～100nm 的材料。与一般的材料相比较而言，纳米材料具有这样几个特征，一是表面积大，二是反应活性较高，三是吸附能力较强，四是应用范围较广，较为广泛的应用在建筑材料、生物医药、能源等诸多方面。当前在信息科学技术的飞速发展作用之下，纳米材料的制备技术得到了逐步完善和提升，纳米材料技术也被更多的应用在了各大科学领域，从某种程度上来说，这给科学技术领域的发展带来了革命性、历史性的变革。而在此过程之中，纳米材料在水处理应用领域之中，被推广得更加的普遍，也更加的有前途。

2 纳米吸附材料

近年来，广大科学研究者对纳米吸附技术进行了深刻的研究和更加深入的探索，在不断探索和应用的过程之中，大量有效的研究成果被发表了出来。纳米吸附剂的主要类别包括五大方面，主要表现在金属纳米粒子、碳纳米材料、金属氧化物纳米粒子、硅纳米材料、纳米黏土、纳米纤维和气凝胶。在此之中，最为常用的纳米颗粒是碳纳米管和金属氧化物。当前在技术发展的社会前提之下，纳米材料存在的最为普遍的问题，就是很难从水溶液中分离。由此导致的二次污染也相对严重，这还会进一步影响重金属的生物有效性发展和流动性变通，如若处理不当，还会对环境造成潜在的环境毒性作用。在当前，纳米材料如若被应用在水处理领域，面临的一大挑战就是材料的经济性以及材料的可再生性。要想更好的应用这种材料，就必须要不断的开发，研究各种改性材料，探索出更好的研究方向。

3 纳米催化剂

现阶段，纳米催化剂在废水处理领域依然受到了广泛的注意，研究者对纳米催化剂的探索脚步也从未止步。当然，能够用在废水处理领域的纳米催化剂，主要有这样几个方面，光催化剂、电催化剂、分敦基催化剂和具有抗菌性能的催化剂是其典型的代表。如下是对纳米催化剂类别的具体内容阐述。

3.1 纳米光催化剂

纳米光催化剂，顾名思义，就是基于光能与金属纳米粒子在相互作用前提之下的反应作用，由于对各种污染物具有广泛的催化活性，因此备受广大研究学者的关注和各大污水处理领域的青睐。纳米光催化剂的工作机理是在光照作用之下，溶液中的催化剂激发电子产生作用，在传导程度之下，产生空穴和激发电子。在水这一液体介质之中，空穴被水分子逐步捕获，从而产生具有强氧化性的羟基自由基。羟基自由基能够将具有持久性的有机污染物进行再度处理，比如印染厂排出的染料物质、生活污水中的洗涤物质，农作物生产过程之中的农药以及挥发性的物质，羟基自由基能够将废水中的有机物氧化，并能够将气体进行吸附处理。如图是纳米银诱导水生植物在光合作用过程中产生活性氧的示意图。透过图文可以展示出纳米光催化剂的作用机理，以及对活性氧的消释。

图1 纳米银诱导水生植物在光合作用过程中产生活性氧的示意图

就当前研究和开发的各种纳米光催化剂种类之中，二氧化钛在紫外线作用之下，具有高反应活性和化学反应性，因具备这两大显著特征，由此成为了光催化剂中应用最为广泛的催化剂重要组成部分之一。与此，如出一辙的是氧化锌与二氧化碳有其相似性，因而也能够被广泛地应用，同时也得到了普遍的研究。

3.2 光催化剂被作为抗菌剂

工业生产过程之中排出的污水、生活过程之中排出的生活污水以及其他的废水含有的细菌物质数量较多，在排出之后，对水资源的污染程度也是不可忽略的，而针对此，光催化剂被应用在污水处理之中，对病原均等的有毒害物质，就能够起到更好的抑制作用。同时纳米二氧化钛具有较高的抗菌能力，这也是其广泛研究的原因之一。但在现阶段的发展过程中，由于纳米二氧化钛的粉末难以从水体中与之相分离，因此在应用时，也具有一定的应用难度。对此，就需要提供更加高效的抗微生物活性的纳米材料，而有效解决这一问题的途径在于更进一步固定纳米颗粒，从而有效增加纳米材料的表面积，让纳米材料表面积有效增加，提升污水处理能力。光催化剂被作为抗菌剂，有效影响纳米光催化剂的因素是胞外聚合物载体，胞外聚合物载体在动力学抗菌中具有较为重要的作用，这是由于胞外聚合物载体会与细菌竞争活性氧，从而催化剂的抗菌效率也会大大降低。从系列的论述来看，更进一步去除胞外聚合物载体就能够更加高效地实现废水消毒，同时有效去除胞外聚合物载体，对更加高效的去除光催化起到促进作用。

3.3 纳米材料是电催化剂的一种

纳米材料在电催化记忆之中也有广泛的应用，在污水处理的过程之中，微生物燃料电池在催化的过程中，能够在处理废水、废渣的同时，将一定的内容物直接转换为电能物质。在将纳米材料作为电催化剂使用时，能够获得更大，更宽的表面积，电催化剂在反应介质之中，通过均匀分布，从而有效改善燃料电池的性能作用，能够有效获得蓄电内容物的反馈。目前在众多的研究之中，大量的科学研究者对碳载纳米电催化剂应用在开发燃料电池之中，做了较为科学缜密的探索。

4 纳米膜

当前较为先进的污水处理技术之一，主要囊括了纳米膜过滤技术。郑州清源智能装备科技有限公司在纳米膜上联合同济大学也做了深入的研究，该技术主要是对污水处理过程中的染料、重金属以及其他污染物进行分离，当然，也可用于有机污染物的化学作用降解，从而让污染物与有机物质进行分离。纳米膜具有催化反应性，高渗透性和抗污染性的性能特征。与其他相关处理技术相比较而言，纳米膜过滤技术更加经济，也更加高效，同时设计也更加简单。纳米膜的种类也包括多个方面，一是碳纳米管膜，碳纳米管最为显著的特征就是低密度、高强度和高拉伸模量以及高韧度性；二是静电纺丝纳米纤维膜，这一纤维膜是近年来出现的较为新型的膜，与传统技术以及与现有技术相比较而言，静电纺丝纳米纤维膜的显著特征表现在孔隙度和表面体积比高、能耗低、成本低、工艺简单。由于具有较高的通量，因此在操作时，对操作压力和容量的需求就相对较低，能够对污水含量中的有机物质、盐类物质进行去除。

5 结语

当前科学技术的不断发展，纳米材料在水处理领域中的应用范围也变得更加的宽泛，致使更加廉价，更加高效的水处理技术得以普遍的应用，但就当前阶段发展的过程而言，现有的水处理技术多适用于实验室研究，与实际的工程应用需求仍然存在较大的差距。如此，加大力度开发纳米材料的批量化生产工艺就显得尤为重要，不断降低纳米材料的应用成本以及经济成本，由此更进一步实现污染物水体的高效分离和再生，从而有效评估纳米材料对水体环境的安全性，从而逐步让纳米材料在水领域中具有更加普适性的研究方向。