纳米材料在环境工程污水深度净化中的应用

引言

随着工业发展以及城市建设的加速，水污染的问题也加大的了对水质净化过程的需求，但传统水质净化过程已无法满足日益增长的环境质量要求，特别是更深层次净化的要求。纳米技术具有大比表面积、超强吸附性、催化剂性能、光电子性能等独特的物理化学性质，被称为污染水体的一把利剑。近年来，纳米技术在降低废水中污染物浓度，尤其是重金属和有机物方面的研究受到广泛关注，本文主要对纳米技术在进一步提高水体净化过程中使用现状、机理及存在的问题进行阐述，提出其在环境保护中应用的建议。

1、研究目的与意义

1.1 污水污染现状与挑战

随着世界工业化进程和城市化建设的加快，废水污染已成为严重的生态灾难。具体体现在，城市化增长型工业区中排放的废水中含有大量的有毒金属、农药残留物、易溶性有机物、微生物等有害物质。这些污染物的生成不但污染了水质，而且危害着自然界的生态环境和人类的生活安全。虽然，传统废水的处理方法，如进行化学反应吸附杂质、用物理方法进行过滤、采用生物方法进行净化等方法在一定程度上降低废水中有害物质的含量，但是对一些难以分解的有机物、轻度污染物质、重金属、复杂因素等，他们的净化效果则无法做到完善，同时其处理成本也较高。因此，怎样高效低价处理废水是当代环境科学需要解决的一个难题。

1.2 纳米材料在环境工程中的发展与应用前景

近年来，因为纳米材料具有的特殊物理与化学特性，可成为解决环境污染的新型科技成为一种可能性。纳米技术的应用在污水深层净化中有潜在的可行性和优势，主要表现为除去难以降解的有毒物和极小的污染物有较好的应用效果。纳米材料表面具有较大的表面面积和良好的催化性能、较高的吸附性能，能有效去除水中各种有毒物质、降解有机污染源、处理重金属等。

2、纳米材料的基本性质

2.1 纳米材料的定义与分类

2.1.1 纳米颗粒

纳米颗粒作为最常用的纳米级材料，指的是一维尺寸在 1～100nm 范围内的微粒子，以具有大比表面积与高表面能著称，能为其上发生反应提供更多的位置，增加了其与外物接触的可能性。在水处理领域，纳米颗粒的主要应用是吸附、催化和水体污染物解离。由于其颗粒微小，能迅速进入污染水分子中并与之发生有效反应，极大地促进污水净化效率。

2.1.2 纳米纤维

纳米纤维是以超细小尺寸构成的线形物质，通常它的长度远远大于直径。这种特殊的构型可导致其与水具有相当大的活跃的表面，因此能增加其吸收有害物质的能力。这些纳米纤维是水净化过程，包括水的过滤、吸附、催化剂载体等的常用工具。因其巨大的比表面积和流动性，故被用于从水当中萃取污染物方面具有极佳的性能和专一性。

2.2 纳米材料的物理化学性质

2.2.1 高表面积与反应性

其最显著的特点在于大量比表面积，与大块材料相比，纳米粒的比表面积显著增加，赋予了与水体污染物反应时有了更多的相互作用界面。例如，纳米颗粒具有大量的活性平面来捕获重金属离子、石油污染物等，有效地响应有机污染物。

2.2.2 独特的光、电、磁性质

纳米材料具有特殊的光学、电子以及磁性能。由于受到纳米尺度的影响，其对紫外光、可见光及红外线的吸附、反射、透射等性能与一般大尺寸材料不相同。如某些特定纳米颗粒（如金属纳米颗粒）在一定的光源照射下会出现表面等离子体共振现象，其可用于水体的净化；纳米材料具有超好的导电性能与磁性能，可采用电化学方法或者磁性物质来进行污水净化。

3、纳米材料在污水深度净化中的应用

3.1 重金属去除

3.1.1 纳米材料去除重金属的机理

纳米材料在对废水重金属进行处理方面具有较好的优势，其主要去除机理包括吸附、还原、络合作用和沉淀作用等。首先，纳米材料具有很大的比表面积，能够提供大量的有效部位来吸收水体中的重金属离子；还有多种类型的纳米材料如金属氧化物、活性炭、微金属等可以和重金属离子进行化学作用形成复配或是沉淀下来，例如纳米零价铁(nZVI)能够通过还原将溶液中的重金属离子转换成低毒性的形态以降低它们的危害并促进其沉淀；其次，纳米材料表面具有大量的未被占据的化学键，可以和重金属离子形成强的络合作用；再次，对纳米材料进行表面的修饰、功能化处理能够增加它们的选择性吸收和去除重金属的能力。

3.1.2 纳米材料在去除重金属中的应用案例

在实际应用中，纳米级颗粒作为清除或改善水质已广泛应用，如纳米级零价铁(nZVI)是高效的重金属去除剂，常用于重金属(Pb、Cu、Cd 等有毒有害重金属元素)被污染的水体。研究表明，nZVI 能利用自身的还原反应将重金属离子还原成低价态并生成不溶复合物，使重金属不再溶于水。纳米氧化物(nanotitania,nanoferrimagneticcore-shellstructureFe3O4)也被广泛应用去除水中重金属(特别是溶解的铬离子)，纳米TiO2 具有很好的催化作用。

3.2 有机污染物去除

3.2.1 纳米材料在有机污染物降解中的作用

纳米技术处理有机污染物的方式主要就是利用催化剂、吸附和光化学技术将废水中的有机污染物降解掉。纳米颗粒高表面能和强活性特性，使纳米颗粒易于与水中有机污染物相互作用，促进其降解。纳米粒TiO2、ZnO、Fe3O4 等众多纳米粒子对光催化降解表现出了灵敏性和优势，尤其是受紫外线激发时能产生超强活化氢氧基(-·OH)，进而降解有机污染物。例如，纳米TiO2 被紫外激发后，能有效将水中的有机污染物分解为更为无害的小分子。

3.2.2 纳米材料在有机污染物处理中的应用案例

在众多利用纳米材料的有机污染物降解案例中，纳米TiO2 在应用广泛的一种高效的光催化剂，已经广泛应用于水中的有机物分解降解。研究发现，纳米级的钛酸盐迅速、完全分解苯类、酚类、农药类、染料类等各种有机物为二氧化碳和水。纳米材料还有优异的化学还原及催化降解性能，如纳米零价铁(nZVI)可同时去除水中的重金属离子并以还原反应降解某些有机物(如氯代有机物)。另外纳米碳材料，如活性炭和碳纳米管等，在利用吸附去除水体有机物的同时还能以催化性能加快有机物的降解过程，尤其对去除水质有机染料有效。

结论

纳米技术在环保水质处理领域具有极大的优势，能够高效去除废水中所存在的各种有毒有害重金属、有机化合物等多种有毒物质，在提高水质处理效果和对难以降解的有害物质进行有效分解上具有显著的优势。但是，鉴于这一优点，纳米材料的自身安全性和稳定性和成本效益控制上的管理还存在一定的问题，因此，应该多方面研究其可持续的发展形式、对其环境污染全面展开风险评估、与现有其他污水处理方式联合以便实现广泛的工程化应用。

参考文献

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