淺談納米材料的特性及其在水處理工業(yè)中的應(yīng)用

張秀麗

摘 要：納米材料自研發(fā)出來以后，因?yàn)槠淞己玫奈锢硖匦院突瘜W(xué)特性，使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其不斷的發(fā)展為生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開辟了新的研究方向，并取得了很多優(yōu)秀的成果。本文對納米材料的特性進(jìn)行了總結(jié)，并對其在水處理工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望能夠更好的將其應(yīng)用在水處理工業(yè)中。

關(guān)鍵詞：納米材料；特性；水處理工業(yè)

納米材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了其獨(dú)有的特性，從而決定了其能夠在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對納米材料的研究從未停止過，納米材料也處在不斷的發(fā)展中。根據(jù)納米材料的特性，將其應(yīng)用于水處理工業(yè)中，能夠提升水的凈化效果，從而為人們提供更好的水質(zhì)。

一、納米材料的特性分析

（一）納米材料的表面與界面效應(yīng)

納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了其特有的性質(zhì)，其表面與界面效應(yīng)是指納米粒子性質(zhì)上的變化，這個變化是由兩方面的因素引起的：一是粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之間的比值；二是粒徑的變小，比值隨粒徑的變小有很大幅度的增大，從而引起了納米粒子性質(zhì)的變化。這其中存在如下的關(guān)系：首先，假設(shè)球形顆粒的表面積為S，直徑為d，則S與d2之間是成正比的；其次，設(shè)球形顆粒的體積為V，那么V與d3也是正比關(guān)系。由此，我們便可以判斷S/V與d是成反比的，因此，如果納米粒徑變小，比表面積就會有很大幅度的增大。比如，d為20納米時，S/V為45m2/g；則d為10納米時，S/V為90m2/g；那么，如果d為4納米時，則S/V會有顯著的增大，為225m2/g。從中我們可以看出，d一直減小，直到納米級的時候，表面原子數(shù)會大量的增加。不僅如此，納米粒子的表面積和表面能增長速度也非常的快。

（二）納米材料的體積效應(yīng)

納米材料之所以在各領(lǐng)域中如此受青睞，原因之一就在于其體積相比其他材料要小得多，因此納米粒子中所含有的原子數(shù)相比之下也要少很多。所以，這也決定了其許多物理、化學(xué)方面的性質(zhì)與傳統(tǒng)的材料之間存在巨大的差異。傳統(tǒng)材料的粒子直徑大，所以其吸附、催化、燒結(jié)等與界面狀態(tài)相關(guān)的現(xiàn)象就與納米材料截然不同。而傳統(tǒng)材料的原子數(shù)量是難以計數(shù)的，其性狀呈塊狀，而納米材料則不同。所以，納米粒子在上述方面所表現(xiàn)出來的性質(zhì)就不能以傳統(tǒng)材料的性質(zhì)來解釋，這些特殊的現(xiàn)象反映在納米材料上，則表現(xiàn)為其獨(dú)有的體積效應(yīng)。

（三）納米材料的尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是宏觀物理性質(zhì)的變化，而這一變化是伴隨著顆粒尺寸的縮小而引起的。納米材料的顆粒是非常小的，其尺寸越小，比面積則越大，從而決定了納米材料的一些特殊性質(zhì)。比如，特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)。除此之外，納米材料的超微結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來的小尺寸效應(yīng)還包括超導(dǎo)電性、特殊的聲學(xué)特性等方面。

除了上述三種效應(yīng)外，納米材料還具有量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等特性，這些特性在水處理工業(yè)中的應(yīng)用都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、納米材料在水處理工業(yè)中的應(yīng)用

（一） 納米材料在無機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

廢水中的有害物質(zhì)很多，尤其是重金屬，一方面它對人體能夠造成巨大的傷害，而另一方面它也是一種重要的資源，如果流失掉，就會造成資源的流失。納米材料之所以被應(yīng)用于無機(jī)廢水處理中，是因?yàn)樗軌蛴行裏o機(jī)物的污染。其原理如下：具有毒性的無機(jī)物，無論是在高氧化狀態(tài)下還是在低氧化狀態(tài)下，都能被還原。而還原效果是在電子和空穴的作用下達(dá)到的，這利用了無機(jī)物在納米粒子表面的光化學(xué)活性，通過光催化作用來激發(fā)納米材料，從而產(chǎn)生電子和空穴，使有毒無機(jī)物被還原。納米二氧化鈦能夠吸附高氧化狀態(tài)下的重金屬離子，包括汞、鉑等，然后在光生電子的作用下還原這些離子，使其變?yōu)榧?xì)小的金屬晶體。這些細(xì)小的金屬晶體能夠沉淀在催化劑的表面上，從而達(dá)到了消除污水毒性的目的，同時，又減少了貴、重金屬的流失，將其從廢水中回收。

（二） 納米材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

有機(jī)廢水的處理包括以下四個方面：

第一，對農(nóng)藥廢水的處理，主要是處理其中的含磷和含硫有機(jī)物，使其被無機(jī)化，從而達(dá)到廢水處理的目的。在處理過程中需要利用到納米二氧化鈦的作用，通過紫外線對其懸濁液的照射來將含磷和含硫的有機(jī)物無機(jī)化。

第二，對化工廢水的處理，同樣需要用到二氧化鈦，利用其對氧化水中的苯類、酚類等有機(jī)污染物的光催化作用，使這些污染物被降解，從而達(dá)到消除有機(jī)物毒性的效果。

第三，對染料廢水的處理，這主要是針對生產(chǎn)染料的工廠，其排放的污水中有許多染料分子的殘留物，會嚴(yán)重污染環(huán)境，對環(huán)境造成破壞。所以，在溶解氧的前提下，將納米二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎苄耘嫉蜁诠獯呋淖饔孟卤唤到狻?/p>

第四，對造紙廢水的處理，其原理與染料廢水的處理相似，都是通過二氧化鈦的光催化作用使酸堿性的廢水被降解。

（三） 納米材料在自來水凈化處理中的應(yīng)用

納米二氧化鈦除了其降解功能外，還具有殺菌的能力，因此，它可以被用來對自來水做凈化處理。將納米二氧化鈦固定在玻璃纖維網(wǎng)上，使其充當(dāng)催化膜的角色。在對飲用水進(jìn)行凈化時，水中的有機(jī)物總量能夠減少許多，有的種類能夠被完全去除，而有的種類其濃度能夠被大大的降低，從而使自來水得到凈化。在凈化過程中，還能夠?qū)ψ詠硭畾⒕瑥亩顾馁|(zhì)量得到保障。

三、結(jié)語

綜上所述，納米材料具有其獨(dú)有的特性，包括表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等。正是因?yàn)榧{米材料的這些特性，使其在水處理工業(yè)中能發(fā)揮出其功效，使各種污水中的有害物質(zhì)被消除，從而實(shí)現(xiàn)對水的凈化作用。

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