探析納米材料應(yīng)用在水處理中的研究進(jìn)展

李旋

摘 要 隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)問(wèn)題成為時(shí)下備受關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，納米技術(shù)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越多。本文討論了碳納米材料及其衍生物在水處理中的應(yīng)用，以及納米材料的研究方向和納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 納米材料;水處理;應(yīng)用;發(fā)展前景

引言

納米技術(shù)在水資源領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛，具有一定的發(fā)展空間。吸附、水質(zhì)凈化和光催化降解污染物的應(yīng)用比常規(guī)水處理技術(shù)效果更好，納米材料的制備，性能和應(yīng)用研究取得了豐碩的成果，納米技術(shù)必將成為21世紀(jì)一場(chǎng)新的技術(shù)革命。

1納米材料的特性

（1）表面效應(yīng)。納米材料的表面效應(yīng)能夠同構(gòu)納米粒子的粒徑縮短，媳婦在上面的原子數(shù)和總原子數(shù)的比例發(fā)生變化，產(chǎn)生的性能變化，可以應(yīng)用在水處理中，增加水資源利用率。球形顆粒的表面與其直徑的平方成正比，體積與直徑的立方成正比，表面積（表面/體積）與直徑成反比。

（2）體積效應(yīng)。納米材料之所以可以應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的原因是，它們的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他材料，因此與之相比，納米顆粒中包含的原子數(shù)要少地多。因此，它還確定了其理化性質(zhì)不同與其他材料，常用的水處理材料的粒徑很重要，因此其吸附、催化等效果與納米材料完全不同。因此，納米材料在上述方面的性能不能夠用傳統(tǒng)材料的性能來(lái)衡量，這些特殊現(xiàn)象以其獨(dú)特的體積效應(yīng)得以體現(xiàn)。

（3）尺寸效應(yīng)。超細(xì)顆粒的尺寸等于或小于超導(dǎo)狀態(tài)的特征物理尺寸，例如光波長(zhǎng)，透射深度長(zhǎng)時(shí)，將破壞晶界的邊界條件。顆粒表面層附近的原子數(shù)量少，導(dǎo)致出現(xiàn)特殊的光學(xué)性能;特殊的熱性能;特殊的磁性能;特殊的機(jī)械性能。超細(xì)顆粒的微小影響還表現(xiàn)在超導(dǎo)性，介電性能、聲學(xué)性能和化學(xué)性能。

（4）量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)顆粒的尺寸下降到一定值時(shí)，金屬納米附近的電子能級(jí)會(huì)從聚集變分散，這一過(guò)程就是量子尺寸效應(yīng)。電子在納米材料中離散的量子能級(jí)中的波動(dòng)可以使納米材料產(chǎn)生特定的性能，例如特定的催化作用，強(qiáng)的氧化性和還原性，光子能和超導(dǎo)體等。有些特性與原本的納米性能有很大不同。

（5）量子隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生量子隧道，這種效應(yīng)不受宏觀系統(tǒng)的影響，并產(chǎn)生一定的性能變化，即所謂的納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)和隧道效應(yīng)可以在電子器件中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，或者它們將為現(xiàn)有微電子器件的未來(lái)小型化建立極限的促進(jìn)作用。

2碳納米材料

（1）碳納米管。碳納米管通常是由石墨片制成的管，該石墨片根據(jù)一定程度的螺旋纏繞在中心軸上。管壁上的碳原子組成序列為六邊形，每個(gè)碳原子周?chē)噜徣齻€(gè)碳原子，C—C通過(guò)雜化鍵sp2和sp3相連。碳納米管通過(guò)不同的特性產(chǎn)生不同的吸附效果。例如：①碳納米管的總表面積較大，因此具有較高的吸收能力;②表面電荷是可重塑的，可以在水中對(duì)不同的污染物特點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)[1]。

（2）碳納米纖維。碳納米纖維用于吸水的處理時(shí)需要進(jìn)行活化處理，以獲得改進(jìn)的碳納米纖維。當(dāng)它們以原始狀態(tài)交叉時(shí)，適合吸附更重要的有機(jī)污染物。相反，在表面處理之后，可以獲得具有微孔（1～2nm）的碳納米纖維，其適合于吸附小的無(wú)機(jī)污染物。碳納米管還可以強(qiáng)烈吸附脂族烴，胺，酚，酮和其他有機(jī)物質(zhì)，碳納米材料還大大提高了對(duì)有機(jī)污染物的吸附親和力。用硝酸，檸檬酸和高錳酸鉀處理的碳納米管比處理前的碳納米管具有更強(qiáng)的吸附能力。

（3）石墨烯族。研究表明，石墨烯系列吸附劑可有效處理水中的有機(jī)，無(wú)機(jī)和生物污染物。石墨烯是由六元碳環(huán)組成的二維結(jié)構(gòu)[2]。石墨烯光催化技術(shù)是一種綠色、生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，無(wú)須添加化學(xué)試劑或生物菌株，無(wú)須任何供應(yīng)裝置，無(wú)能源消耗，無(wú)污染且維護(hù)成本低。將光催化石墨烯網(wǎng)放置在污水表面，可以在陽(yáng)光下分解水體中的有毒有機(jī)物并逐步改善水環(huán)境。

3納米材料在水處理中的應(yīng)用

（1）納米材料在無(wú)機(jī)廢水處理中的應(yīng)用。廢水中含有許多有害物質(zhì)，尤其是重金屬。一方面，這些污染物可能會(huì)傷害人的身體機(jī)能。另一方面，它們也是重要的資源，如果丟失將導(dǎo)致資源損失。利用無(wú)機(jī)物質(zhì)在納米粒子表面的光化學(xué)活性，通過(guò)光催化激發(fā)納米材料產(chǎn)生化學(xué)作用，從而減少了有毒的無(wú)機(jī)物質(zhì)。納米金屬氧化物具有良好的生物相容性，可以用作固定微生物的載體[3]。吸附和富集水中的污染物，提高了生物吸附劑的穩(wěn)定性和機(jī)械阻力，從而減少了水中的污染物的毒性。

（2）納米材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用。BNNS具有很好的抗氧化性和疏水性，當(dāng)用于有機(jī)污染物處理時(shí)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地處理方法（例如燃燒）將其回收和再利用。此外，MoS2納米片不僅可以用作吸附劑，還可以將其用于光催化降解水中的有機(jī)污染物。研究人員將越來(lái)越多地研究這種環(huán)保且具有低成本高效益的水處理技術(shù)。在進(jìn)行有機(jī)廢水中氧化性納米溶解的基礎(chǔ)下，通過(guò)二氧化鈦的催化作用，水中的部分雜質(zhì)在光催化下降解。

（3）納米材料在自來(lái)水凈化中的應(yīng)用。納米二氧化鈦除具有降解功能外，還可以進(jìn)行自來(lái)水殺菌，因此可用于凈化自來(lái)水。納米銀也具有很好的殺菌效果，在進(jìn)行水處理時(shí)，對(duì)自來(lái)水中的細(xì)菌進(jìn)行分解消滅，例如金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，并且不會(huì)產(chǎn)生副作用。在進(jìn)行自來(lái)水凈化過(guò)程中，可以顯著減少水中有機(jī)物的總量，可以消除某些雜質(zhì)，并且可以顯著降低某些物質(zhì)的濃度，從而可以得到相對(duì)純凈的自來(lái)水。在凈化過(guò)程中，還可以將自來(lái)水中的毒素殺死，從而確保水質(zhì)符合引用標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)束語(yǔ)

納米材料具有許多傳統(tǒng)技術(shù)所沒(méi)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在水處理中的應(yīng)用和發(fā)展中還有很大的空間。納米技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，納米材料制備的水處理技術(shù)滿(mǎn)足了防止水污染和水資源循環(huán)利用的需求，更加關(guān)注納米材料的實(shí)用性。納米材料的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)不是一件容易的事，需要在技術(shù)研究中付出更多的努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃蓓，劉秀偉，袁琳，等.磁性納米材料在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].河南化工，2020，37（3）：1-5.

[2] 杜淼，張馨.二維納米材料在水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2020，52（1）：17-21.

[3] 郭倩，邱伊琴.納米銀在水處理方面的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].合成材料老化與應(yīng)用，2019，48（4）：125-129.