纳米技术在水处理方面的应用_纳米技术水处理
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纳米技术在水处理方面的应用
[摘要]纳米技术包括纳米结构和纳米材料。通过简要阐述纳米科技的理念，介绍了纳米科技在水处理方面的应用，指出了在当今时代水资源缺乏的情况下，纳米科技必将为水处理工艺的发展带来巨大的影响。
[关键词]纳米材料；纳米TiO2,纳滤膜，水处理 [正文]
1、引言
纳米技术是指在1—100尺度上研究和应用院子、分子现象，由此发展气啦的多学科、基础研究与应用研究紧密联系的新的科学技术。它是现代物理和先进工程技术结合的产物。而当今世界面临着人口、资源与环境三大问题，水资源是各种资源中不可替代的一种重要资源。水资源与环境密切相关，也与人口简介有关，据预测，到2015年，全球将有2/3的人口生活在严重缺乏安全饮用水、工业用水或农业用水的地区。为了缓解这一状况，早在上个世纪70年代，全球就开始了对水质净化方法的研究，研究发现，纳米技术在水处理方面有特别的应用。
2、几种纳米技术在水处理方面的研究情况。
一、纳米TiO2氧化技术 纳米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基(·OH)，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和水。纳米TiO2光催化氧化技术的优点是：降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果；降解无选择性，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生光催化氧化反应：无二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O；应用范围广，几乎所有的污水都可以采用。现有国内外的几种试验研究情况如下：
1．有机磷农药废水处理。有机磷农药占我国农药产量的80％以上，其生产过程中有大量的有毒废水产生。据报道，采用纳米TiO2·SiO2负载型复合光催化剂，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药在其表面迅速富集，随光照时间的延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照80min，试验用敌百虫已完全降解。
2．毛纺染废水处理。把表面涂覆有纳米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反应器内，通过潜水泵使废水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米TiO2具有巨大的比表面积，与废水中的有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，并迅速将有机物分解成CO2和H2O，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，cod去除率和脱色率均较高。
3．氯代有机物废水处理。在模拟废水处理的试验中，以16mg／l3-氯一酚的水溶液为模拟废水，分别采用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合、单独用光催化剂纳米TiO2和单独用纳米琴价铁三种方法对其进行处理。用内表面涂覆纳米TiO2光催化剂的陶瓷圆管处理5．5mg／l苯酚和三氯乙烯水溶液的试验表明，苯酚在1．5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h内完全分解。引自《苯酚的tioz薄膜光电催化降解及反应产物的分布》
4．含油废水处理。含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等有机物很难降解，使用纳米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解这些有机物。
上述研究情况表明，纳米TiO2光催化氧化技术在彻底降解水中的有机污染物和可以利用太阳能等方面有着突出的优点，特别是当水中的有机污染物浓度很高或用其他方法难以处理时，具有更明显的优势，是其他传统方法无`法比拟的。
二、纳米膜分离技术
膜分离技术是近年来发展迅速，应用广泛的高新技术。与传统的分离技术相比，具有分
离效率高、无相变、无化学反应、体积小、能耗低和操作方便等优点。纳滤作为膜分离技术中的一种，是介于超滤和反渗透之间的孔径接近于1 nm 的新型压力驱动膜技术。它既能截留透过超滤膜的小分子有机物和多价盐离子，又能透析被反渗透所截留的无机盐。造纸废水
造纸废水主要来之造纸过程中纸浆的大量冲洗，采用纳滤膜替代传统的吸收和电化学处理法能更有效地去除深色木质素和纸浆漂白过程中产生的氯化木质素。Nuortila-Jokinen等在实验室，用平板纳滤膜 NF45 处理经浮选和过滤预处理后的造纸废水。Manttarri 等开发了造纸厂水循环系统，发现与超滤法处理过程比较，采用纳滤技术处理后得到的水不但透明、无色、不含阴离子废物，而且将透过水的COD、总硫和无机盐含量的去除由超滤法的 50%-60%提高到 80 %以上。引自《纳滤技术在水处理领域的应用》垃圾渗滤液
垃圾渗滤液的处理一直是世界性难题。目前，主要采用为厌氧好氧等生物处理法，但中后期渗滤液中含有很高浓度的溶解有机质，其中 75％为可生化性差的腐植酸和富里酸(平均分子量 1000Da)，导致生化法出水难以达标排放。与生化法相比，膜分离技术受原水水质的变化影响小，在这种难降解废水的处理中具有明显的优势。纺织印染废水
纺织印染厂在对织物进行煮漂和染色后，需使用大量的清水对织物进行冲洗，产生的废水中会含有大量的盐、染料、表面活性剂、洗涤剂等各种污染物，导致印染废水成为较难处理的工业废水之一。不过随着膜分离技术的发展，纳滤膜技术已在纺织印染工业中得到了成功的运用。C.Tang 等使用纳滤膜处理高无机盐含量的纺织染色废水，在操作压力为 500 kPa 条件下，通量可以达到很高，而且染料的截留率超过 98%，因此，可以实现废水的回收利用。引自《中国高新技术企业》
三、纳米膜技术
纳米膜技术是一种膜分离技术。膜孔径处于纳米级，适宜于分离分子量在200-1000，分子尺寸约为1的溶解组分的膜工艺被称为纳滤(nf)。nf膜分离需要的跨膜压差一般为0．5-2．0 mpa，比用反渗透膜达到同样的渗透能量所必需施加的压差低0．5-3mpa。nf分离是一种绿色水处理技术，特点是：能截留分子量大于10o的有机物以及多价离子，允许小分子有机物和单价离子透过：可在高温、酸、碱等苛刻条件下运行，耐污染：运行压力低，膜通量高，装置运行费用低；可以和其他污水处理过程相结合以进一步降低费用和提高处理效果。纳米膜技术在水处理试验研究成功应用于制糖、制浆造纸、电镀、机械加工以及化工反应催化剂的回收等行业的废水处理。
1． 日用化工废水处理。用nf膜处理日用化工废水的应用研究表明，nf膜耐酸碱，有优良的截留率，对重金属有很好的去除率，不存在膜污染问题。
2． 杀虫剂废水处理。一般的水处理方法不能除去污染水中的低分子有机农药。通过研究nf膜对不含酚杀虫剂的截留性能，发现除了二氯化物以外，其他杀虫剂的截留率均高于96．7％，所有杀虫剂在nf膜上的吸附能力均受其疏水性的影响
3． 化纤、印染工业废水处理。nf可以用于印染过程排水中染料及助剂的脱除和回用。处理染料聚合浆料时，由于大多数染料的分子量在几百到几千，nf膜可以让一些无机盐或小分子通过，而对较大的染料分子进行截取，粗染料浆液经nf系统后，染料可以富集，而无机盐的浓度下降，脱盐率大于98％，染料损失率小于o．1％，而且可以在高温下运行。引自《光电催化降解染料废水》
4． 生活污水处理。采用常用的生物降解和化学氧化相结合的方法处理生活污水时，增加一个nf系统，让能被微生物降解的小分子(分子量小于100)通过，不能生物降解的有机大分子(分子量大于10o)被截留下来经化学氧化后再生物降解，这样就可以充分发挥生物降解的作用，节省氧化剂或活性炭的用量，降低最终残留物的含量。引自《纳米TiO2与纳滤膜在水处理中的应用》
5． 造纸废水处理。采用nf膜技术替代传统的化学处理法能更有效地除去深色木质紊。木浆漂白过程产生的氯化木质紊是带负电的，容易被带负电性的nf膜截留，并且对膜不会产生污染。另外，因为整个处理过程中对阳离子(nal的脱除率并没有严格要求，采用反渗透技术就显得没有必要。采用超滤／纳滤处理牛皮纸制造废水有很好的效果。
四、纳米光催化剂
纳米光催化剂主要用于污水处理方面，主要成分是特殊工艺制备的纳米二氧化钛，粒径均匀，分散性好，光催化效果强，在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将甲醛、甲苯、二甲苯、氨、氡、TVOC等有害有机物、污染物、臭气、细菌、病毒、微生物等有害有机物彻底分解成无害的CO2 和 H2O，并具有去除污染物、亲水性、自洁性等特性，性能持久，不产生二次污染。纳米光催化剂适合于各种空气污染治理的光触媒喷剂、纳米抗菌涂料、污水处理(可将造纸厂、印染厂、酒精厂和化工厂等废水中的大分子有机物进行降解，使之变成CO2、H2O。)、纳米抗菌自洁纤维、防晒化妆品、抗紫外线产品、电子材料等产品，产品比表面积大！光催化效率高！分解有害气体速度快！纳米光催化剂在废水处理的应用：强氧化还原能力，可以将污水中汞、铬、铅、以及氧化物等降解为无毒物质。绿色环保！添加0.1%的纳米光催化剂的印染废水中，COD的去除率可达86%。纳米二氧化钛对污水处理无残留，杀菌面广，效力强，无腐蚀，无刺激，无毒，不受有机污物，水质硬软，pH、温度等影响，而且是长效的。引自《光电催化降解染料废水》
五、纳米材料在重金属水处理方面的应用
纳米材料的基本构成决定了它超强的吸附能力。应用纳米材料的水处理技术当属纳米宏观应用研究范畴。因此纳米技术可以用在水处理产业中，用于提高水的质量。国外有研究者将纳米技术与资源、污染控制联系在一起，认为纳米技术可以在环境修复、低成本脱盐等领域发挥作用。美国莱海大学的环境工程学教授张伟贤领导的研究小组已经合成出了一种直径不到50纳米的铁微粒，这些微粒能以更快的速度使地下水恢复清洁；我国也有这方面的初步研究，吉林大学的韩炜教授及其研究小组也利用纳米铝粉制备出AlO（OH）纳米纤维，并将AlO（OH）纳米纤维与玻璃纤维、活性炭复合，去除含低浓度重金属Cd2+离子的待净化溶液效果很好，与传统的水源净化方法相比，该技术成本更低、效率更高。
六、纳米技术在水处理的应用前景
上世纪九十年代中期以来，纳米技术发展很快，尤其在水处理中的应用研究，前景十分广阔。
1．纳米技术对印染废水、农药废水的处理。纳米tio2颗粒用于对废水和空气中的有机污染物、重金属等有害特质进行催化氧化和还原，起到净化水体和空气的作用。传统上对印染废水、农药废水的处理难度大，效益不明显。以纳米tio2对印染废水、农药废水的处理具有特别重要的意义。
2．纳米tio2光催化作用。纳米tio2光催化材料本身具有良好的化学稳定性、光催化氧化和还原能力，可制成透明薄膜并且可掺杂材料多等优点，这种材料越来越受人青睐。tio2光催化研究发展方向将主要表现在：tio2材料性能进一步探讨；掺杂和光催化效率的研究：tio2光催化剂薄膜的探索；探寻新的光催化分解对象——有机生物体。
3．纳米技术的发展和应用将会给环境污染治理技术的发展开创新的领域。纳米科技是一门新兴的学科，其在水处理中的应用才刚开始，但已初显端倪。可以预见，随着研究工作的不断深入和实用化水平的提高，纳米水处理技术将在21世纪得到发展，并对解决全球性的水荒和水体污染问题起到十分重要的作用。引自《中国高新技术企业》
3、结语
随着国家“节能减排”发展策略的不断深入，以及人们环保意识的加强，废水资源再生利用已经成为包括我国在内的世界各国实现水资源可持续发展的重要战略之一。纳米科技是一门新兴的学科，其在水处理中的应用才刚开始，但已初显端倪。可以预见，随着研究
工作的不断深入和实用化水平的提高，纳米水处理技术 将在21世纪得到发展，并对解决全球性的水荒和水体污染问题起到十分重要的作用。参考文献：
1、中国高新技术企业 作者: 芦明霞 牟世娟
2、姚清照，刘正宝．光电催化降解染料废水．工业水处理1999(6)：15-163、樊彩海，孙彦平．苯酚的tioz薄膜光电催化降解及反应产物的分布．太原理工大学学报．2000，31(5)：20-234、纳滤技术在水处理领域的应用
曹晓兵，王晓
5、纳米TiO2与纳滤膜在水处理中的应用 作者：熊蓉春 雷晓东
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