納米技術在水處理中的應用

納米技術在水處理中的應用

1傳統(tǒng)水處理工藝隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，世界水污染日益嚴重，水污染處理日益嚴重。中國的廢、污水排放總量極大,約占世界的10%以上,而國內(nèi)生產(chǎn)總值約占世界的5.5%。據(jù)了解,中國城市污水處理率只有36%,而且未經(jīng)處理的污水基本上都是直接排放到江河湖海,破壞了生態(tài)環(huán)境,使環(huán)境愈發(fā)惡劣,因此污水處理技術越來越重要。污水處理就是要盡量把水中的有毒有害物質、懸浮物、泥沙、鐵銹、細菌病毒等除去,以保證水質。傳統(tǒng)的水處理方法如吸附法、混凝法、活性污泥法等在實際處理中確實取到了一定的效果,但也存在很大的弊端:存在包括效率低、成本高、存在二次污染等問題。中國的污水處理工藝迄今為止經(jīng)歷了很多方法如物理法、化學法、生物法和物理化學法等,但是這些傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)階段對水處理的要求。而納米技術作為一種新興技術的出現(xiàn),使得水處理技術取得了較大的突破,在近些年的納米技術的研究進展中可以看出,納米技術有望徹底解決傳統(tǒng)水處理技術中存在的難題,達到人們的標準。2納米技術發(fā)展概況納米材料又稱為超微顆粒材料,是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1~100nm)或由納米粒子作為基本單元構成的材料。納米量級的材料因其物質顆粒接近原子大小,其物質的性能發(fā)生突變,產(chǎn)生了常規(guī)顆粒所不具備的效應:表面與界面效應、體積(小尺寸)效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應。從而在機械性能、磁、光、電、熱等方面與傳統(tǒng)材料有很大的不同,具有輻射、吸收、催化、吸附及二元協(xié)同性等許多新特性,使得它在材料、醫(yī)學、生物工程及環(huán)境保護等方面有著廣闊的應用。自20世紀90年代以來。納米技術發(fā)展迅猛,并在陶瓷、催化、生物、醫(yī)藥等方面取得了巨大成就并影響滲透到各個領域。納米材料是21世紀最有前途的材料,對納米材料和納米技術進行研究,把納米材料與技術應用于各個實際領域尤其是應用于水處理領域,將帶來意想不到的效果,為人類治理環(huán)境開辟了新道路。3納米材料的研究隨著納米技術的發(fā)展以及在各大領域取得的成果,國內(nèi)外學者都十分重視納米技術。納米技術作為一種新興的技術,在未來發(fā)展中肯定會起到不可替代的作用。在水處理領域國內(nèi)外學者均開展了納米水處理技術的研究工作,并取得了一定的進展,高端的納米水處理技術也漸漸轉入實用階段。美國在1998年開始就對納米功能材料進行了大量研究,并對其加工和合成作為重要的基礎研究項目;日本在近7年制定了大量的納米科技研究項目,包括Oglala計劃、量子功能器件的原理研究等;德國科研技術委員會也制定了發(fā)展納米科技的計劃。在水處理領域中,1976年Carey等研究發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下,納米TiO2可使難降解的有機化合物多氯聯(lián)苯脫氮;Nam等在厭氧條件下使用粒狀單質鐵研究了9種偶氮染料的還原脫色降解,結果表明各種染料都能很快脫色降解;加利福利亞大學LawrenceLivermore國家實驗室最近開發(fā)了一種新型的碳納米管,可降低去除鹽分的費用,比反滲透法過濾的水量更多更有效。這些都足以說明國外對納米材料的研究非常重視,在今后一段時間內(nèi)納米技術都是國際上的研究熱點和方向。我國納米技術和納米材料始于20世紀80年代末,我國從“八五”期間以來,對納米材料的研究取得了非常豐富的成果,如:大面積定向碳管陣列合成;超長納米碳管制備;氮化鎵納米棒制備;硅襯底上碳納米管陣列研制成功;準一維納米絲納米電纜制成;苯熱法制備納米氮化鎵微晶。在水處理領域中,天津大學的王俊珍等人通過實驗發(fā)現(xiàn),顆粒在20~30nm的SrFeO3-X懸浮體系可使各種不同水溶性燃料溶液降解脫色;史亞君以納米TiO2光催化處理制革廢水,發(fā)現(xiàn)處理后出水的COD和色度去除率以及可生化性都大大提高;莫德清采用鑄鐵屑與過氧化氫聯(lián)合降解硝基苯廢水,在酸性條件下有利于鑄鐵屑與過氧化氫聯(lián)合降解硝基苯廢水,硝基苯的降解率隨初始濃度的降低而升高,可見鑄鐵屑與過氧化氫聯(lián)合降解法在處理低濃度的硝基苯廢水時效果尤其好。但是我國納米科技水平與美、日、英、德等發(fā)達國家相比還是有一定差距的,有待更進一步的發(fā)展。目前我國已經(jīng)有更多的人加入研究納米技術方面,形成了專業(yè)的科技團隊,在國際上也具有了一定地位,為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎。4納米技術在水處理中的應用4.1光催化劑處理廢水光催化降解是一項新興的頗具發(fā)展前途的廢水處理技術,是指污染物在光照下,通過催化劑實現(xiàn)分解。光催化納米材料能夠很好的去除水中的有機和無機污染物,光催化納米材料能將水中的絕大多數(shù)有機污染物轉化為無污染的物質,主要應用于化工、染料、農(nóng)藥、造紙等有機廢水的處理,它能將烴類、鹵代烴、酸、表面活性劑、有機染料、含氮有機物等污染物完全氧化為無害物質。此外在處理無機廢水方面,由于無機物在納米粒子表面具有光化學活性,能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面,并利用光生電子將其還原為細小的金屬晶體,并沉積在催化劑表面,這樣既消除了廢水的毒性,又可從工業(yè)廢水中回收貴重金屬。常用的光催化劑大多是金屬氧化物或硫化物等半導體材料,其中以納米TiO2的研究最為深入。在利用納米TiO2光催化技術實際應用于水處理的實際研究中,美國、日本以及英國最為領先。TiO2是公認的最有效光催化劑。在眾多光催化劑中TiO2是目前公認的最有效的半導體催化劑,其特點有:化學性質穩(wěn)定,能有效吸收太陽光譜中弱紫外輻射部分,氧化還原性極強,耐酸堿和光化學腐蝕,價廉無毒(表1)。4.2nf/ro膜分離裝置近幾十年來,膜分離技術作為一種高新清潔生產(chǎn)技術快速發(fā)展起來,它是利用膜對混合物各組成選擇性滲透的差異,來實現(xiàn)分離、提純或濃縮的新型分離技術。目前國內(nèi)外膜分離領域研究的熱點為納濾膜,納濾(NF)是膜分離的一個新領域,介于反滲(RO)透與超濾(UF)之間。在過濾分離中,納濾膜能夠截留小分子有機物并且可以透析出無機鹽,而且納濾膜的滲透壓遠比反滲透低,因此操作也更加容易。納濾膜的兩個特性決定了其在水處理方面具有獨特的作用:依據(jù)電荷效應,納濾膜可以降低水質硬度,去除水體中對人體有害的硝酸鹽、砷、氟化物和重金屬等無機污染物;依據(jù)篩分效應,納濾膜可以有效地去除農(nóng)藥殘留物、三氯甲烷及其中間體、激素以及天然有機物等有機污染物。納濾膜在很多領域都有所成就,飲用水的軟化和有機物的脫除是納濾膜最大的應用領域(表2)。4.3反滲透膜裝置co-射線衍射以納米級的零價金屬作為還原劑可有效去除水中的污染物,目前研究較多的是納米鐵。由于納米粒子的小尺寸造成的巨大的表面積,因此有著優(yōu)良的吸附性能和反應活性。納米級還原性金屬的吸附性能尤其突出,其反應活性也比傳統(tǒng)金屬高上幾百倍。據(jù)LJMatheson等報道,在Fe0與水反應,在其存在3種還原劑,金屬鐵(Fe0)、亞鐵離子(Fe2+)和氫氣(H2),因此有機氯化物的脫氯過程有3種可能的反應途徑以及吸附作用。另外,在偏酸性條件下處理廢水時產(chǎn)生大量的Fe2+和Fe3+,當pH值調(diào)至堿性并有氧存在時,會生成Fe(OH)2和Fe(OH)3絮狀沉淀,Fe(OH)3還可能水解生成Fe(OH)2+、Fe(OH)3+等絡離子。它們都具有很強的絮凝性能,因而可以吸附水中不溶性的污染物。Alowitz等研究了零價鐵還原硝酸鹽和亞硝酸鹽的反應動力學問題,研究發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽要比硝酸鹽容易還原的多,硝酸鹽按照化學計量比全部轉化為銨。YXu等將Ag+沉積于納米鐵粉上制得Fe/Ag雙金屬粒子,并研究其對氯苯的降解能力,發(fā)現(xiàn)納米Fe/Ag可有效將多氯有機物還原成低氯有機物。JFeng等采用納米Fe0及納米Fe/Ni粒子降解地下水及廢水中的CCl4,發(fā)現(xiàn)加入濃度為2.5g/L的納米金屬粒子短時間內(nèi)即可將CCl4完全降解。美國萊海大學張偉賢教授領導的研究小組合成出一種直徑小于50nm的納米Fe0,可快速使地下水恢復清潔。納米零價鐵對各種廢水均能起到一定的處理作用,由此可見納米還原性技術具有十分重要的意義。4.4納米吸附劑水處理方面的應用進展對于納米粒子的吸附機理,目前普遍認為,納米粒子的吸附作用主要是由于粒子表面羥基的作用。納米粒子表面的羥基能夠和某些陽離子鍵合,從而實現(xiàn)對金屬離子和有機物的吸附,另外納米粒子的大比表面積也是其具有吸附作用的重要原因。利用納米材料的吸附性能,可吸附消除水中的多種有害污染物從而達到凈化水的目的。目前應用于水處理方面的納米吸附性材料主要有碳納米管、納米SiO2等。LuCS等人研究了多壁碳納米管對飲用水中三鹵甲烷的吸附情況,發(fā)現(xiàn)其吸附能力是商業(yè)氧化鋁的2~3倍。目前的研究表明,碳納米管對環(huán)境污染物吸附性能良好,其電子傳輸性能使其在與光催化活性組分構成復合材料時,可顯著提高光催化材料的催化效率,碳納米管本身也可作為某些類型有機污染物催化濕式降解的催化劑。同時,碳納米管良好的機械強度、良好的化學穩(wěn)定性和獨特的納米結構,使其成為一種良好的水處理吸附劑和催化劑載體。田立安等將高純納米微孔硅藻土改性作為水處理劑,發(fā)現(xiàn)其能夠使污染物和細菌迅速下沉與水體分離,加以簡單消毒即可達到中水回用標準要求。將吸附性納米材料用于污水處理凈化劑、絮凝劑和殺菌消毒劑中,治污效果非常好,而且縮短了處理工藝流程。吸附性納米材料在水處理方面的應用也已經(jīng)逐步成為研究學者關注的焦點。5納米技術在水處理領域的應用納米技術是一門新興的學科,可以說是21世紀最有前途的技術。隨著納米技術研究的不斷深入,人們對環(huán)境的日益重視以及對水質要求的提高,納米技術及材料在環(huán)境保護領域尤