纳米技术在水处理中的应用

广东科技2007.05.总第167期□张洋一、纳米技术及其效应纳米技术是指在1～100尺度上研究和应用原子、分子现象,由此发展起来的多学科、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(介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等)和先进工程技术(计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术)结合的产物。纳米技术包括纳米结构和纳米材料。纳米结构是指在纳米尺寸上构架功能性结构。纳米材料指的是构成材料的结构单元尺寸是纳米尺寸,并且用的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质。纳米颗粒由于具有极小的尺寸,产生了常规颗粒的大块材料所不具备的新效应。1.小尺寸效应(又称体积效应)。当超细微粒的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长或超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,其周期性的边界条件将破坏,光、声、电、磁、热力学等特性会表现出新的小尺寸效应。2.量子尺寸效应。当粒子的尺寸小到某一值时,金属的费米能级附近的电子能级由准连续变成离散,对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道的能级和能隙变宽,此现象称为量子尺寸效应。3.宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应———宏观量子隧道效应。4.表面效应。表面效应是纳米粒子及固体材料中重要的效应之一,是指表面原子数随纳米结构尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的变化。表1是颗粒粒径、原子数及表面原子数之间的关系。表面原子数的增加、原子配位的不足,必然导致纳米结构存在许多表面缺陷,使表面具有很高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。纳米颗粒的粒径极小,具有巨大的比表面积的表面自由能。二、纳米TiO2氧化技术研究情况纳米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纳米技术在水处理中的应用[提要]本文介绍纳米技术在水处理中的作用,介绍纳米TiO2光催化氧化在污水处理方面的研究进展,说明纳米膜技术在处理废水中的重要意义,指出纳米技术对水处理研究的推动及其发展前景。[关键词]纳米技术水处理TiO2光催化氧化纳米膜技术颗粒粒径/nm每个颗粒所包含的原子数表面原子数所占的比例%2010522.5×1052.5×1044.0×1032.5×10210204080表1颗粒粒径、原子数及表面原子数之间的关系专版学术·建设园地研究园地65广东科技2007.05.总第167期内,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-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和单独用纳米零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1.5h后完全分解,三氯乙烯也在2h内完全分解。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。目前,世界有关国家已尝试把纳米TiO2光催化氧化技术用于水处理的实验室研究,如何尽快实现工程化,有待各相关领域