淺談納米材料在水處理領域的應用研究進展

丁紅軍，冉茂衛，閻錫坤

（鄭州清源智能裝備科技有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

通常而言，納米材料主要是指在三維微觀結構之中，至少存在有一處一維處于納米尺度1 ～100nm 的材料。與一般的材料相比較而言，納米材料具有這樣幾個特征，一是表面積大，二是反應活性較高，三是吸附能力較強，四是應用范圍較廣，較為廣泛的應用在建筑材料、生物醫藥、能源等諸多方面。當前在信息科學技術的飛速發展作用之下，納米材料的制備技術得到了逐步完善和提升，納米材料技術也被更多的應用在了各大科學領域，從某種程度上來說，這給科學技術領域的發展帶來了革命性、歷史性的變革。而在此過程之中，納米材料在水處理應用領域之中，被推廣得更加的普遍，也更加的有前途。

2 納米吸附材料

近年來，廣大科學研究者對納米吸附技術進行了深刻的研究和更加深入的探索，在不斷探索和應用的過程之中，大量有效的研究成果被發表了出來。納米吸附劑的主要類別包括五大方面，主要表現在金屬納米粒子、碳納米材料、金屬氧化物納米粒子、硅納米材料、納米黏土、納米纖維和氣凝膠。在此之中，最為常用的納米顆粒是碳納米管和金屬氧化物。當前在技術發展的社會前提之下，納米材料存在的最為普遍的問題，就是很難從水溶液中分離。由此導致的二次污染也相對嚴重，這還會進一步影響重金屬的生物有效性發展和流動性變通，如若處理不當，還會對環境造成潛在的環境毒性作用。在當前，納米材料如若被應用在水處理領域，面臨的一大挑戰就是材料的經濟性以及材料的可再生性。要想更好的應用這種材料，就必須要不斷的開發，研究各種改性材料，探索出更好的研究方向。

3 納米催化劑

現階段，納米催化劑在廢水處理領域依然受到了廣泛的注意，研究者對納米催化劑的探索腳步也從未止步。當然，能夠用在廢水處理領域的納米催化劑，主要有這樣幾個方面，光催化劑、電催化劑、分敦基催化劑和具有抗菌性能的催化劑是其典型的代表。如下是對納米催化劑類別的具體內容闡述。

3.1 納米光催化劑

納米光催化劑，顧名思義，就是基于光能與金屬納米粒子在相互作用前提之下的反應作用，由于對各種污染物具有廣泛的催化活性，因此備受廣大研究學者的關注和各大污水處理領域的青睞。納米光催化劑的工作機理是在光照作用之下，溶液中的催化劑激發電子產生作用，在傳導程度之下，產生空穴和激發電子。在水這一液體介質之中，空穴被水分子逐步捕獲，從而產生具有強氧化性的羥基自由基。羥基自由基能夠將具有持久性的有機污染物進行再度處理，比如印染廠排出的染料物質、生活污水中的洗滌物質，農作物生產過程之中的農藥以及揮發性的物質，羥基自由基能夠將廢水中的有機物氧化，并能夠將氣體進行吸附處理。如圖是納米銀誘導水生植物在光合作用過程中產生活性氧的示意圖。透過圖文可以展示出納米光催化劑的作用機理，以及對活性氧的消釋。

圖1 納米銀誘導水生植物在光合作用過程中產生活性氧的示意圖

就當前研究和開發的各種納米光催化劑種類之中，二氧化鈦在紫外線作用之下，具有高反應活性和化學反應性，因具備這兩大顯著特征，由此成為了光催化劑中應用最為廣泛的催化劑重要組成部分之一。與此，如出一轍的是氧化鋅與二氧化碳有其相似性，因而也能夠被廣泛地應用，同時也得到了普遍的研究。

3.2 光催化劑被作為抗菌劑

工業生產過程之中排出的污水、生活過程之中排出的生活污水以及其他的廢水含有的細菌物質數量較多，在排出之后，對水資源的污染程度也是不可忽略的，而針對此，光催化劑被應用在污水處理之中，對病原均等的有毒害物質，就能夠起到更好的抑制作用。同時納米二氧化鈦具有較高的抗菌能力，這也是其廣泛研究的原因之一。但在現階段的發展過程中，由于納米二氧化鈦的粉末難以從水體中與之相分離，因此在應用時，也具有一定的應用難度。對此，就需要提供更加高效的抗微生物活性的納米材料，而有效解決這一問題的途徑在于更進一步固定納米顆粒，從而有效增加納米材料的表面積，讓納米材料表面積有效增加，提升污水處理能力。光催化劑被作為抗菌劑，有效影響納米光催化劑的因素是胞外聚合物載體，胞外聚合物載體在動力學抗菌中具有較為重要的作用，這是由于胞外聚合物載體會與細菌競爭活性氧，從而催化劑的抗菌效率也會大大降低。從系列的論述來看，更進一步去除胞外聚合物載體就能夠更加高效地實現廢水消毒，同時有效去除胞外聚合物載體，對更加高效的去除光催化起到促進作用。

3.3 納米材料是電催化劑的一種

納米材料在電催化記憶之中也有廣泛的應用，在污水處理的過程之中，微生物燃料電池在催化的過程中，能夠在處理廢水、廢渣的同時，將一定的內容物直接轉換為電能物質。在將納米材料作為電催化劑使用時，能夠獲得更大，更寬的表面積，電催化劑在反應介質之中，通過均勻分布，從而有效改善燃料電池的性能作用，能夠有效獲得蓄電內容物的反饋。目前在眾多的研究之中，大量的科學研究者對碳載納米電催化劑應用在開發燃料電池之中，做了較為科學縝密的探索。

4 納米膜

當前較為先進的污水處理技術之一，主要囊括了納米膜過濾技術。鄭州清源智能裝備科技有限公司在納米膜上聯合同濟大學也做了深入的研究，該技術主要是對污水處理過程中的染料、重金屬以及其他污染物進行分離，當然，也可用于有機污染物的化學作用降解，從而讓污染物與有機物質進行分離。納米膜具有催化反應性，高滲透性和抗污染性的性能特征。與其他相關處理技術相比較而言，納米膜過濾技術更加經濟，也更加高效，同時設計也更加簡單。納米膜的種類也包括多個方面，一是碳納米管膜，碳納米管最為顯著的特征就是低密度、高強度和高拉伸模量以及高韌度性；二是靜電紡絲納米纖維膜，這一纖維膜是近年來出現的較為新型的膜，與傳統技術以及與現有技術相比較而言，靜電紡絲納米纖維膜的顯著特征表現在孔隙度和表面體積比高、能耗低、成本低、工藝簡單。由于具有較高的通量，因此在操作時，對操作壓力和容量的需求就相對較低，能夠對污水含量中的有機物質、鹽類物質進行去除。

5 結語

當前科學技術的不斷發展，納米材料在水處理領域中的應用范圍也變得更加的寬泛，致使更加廉價，更加高效的水處理技術得以普遍的應用，但就當前階段發展的過程而言，現有的水處理技術多適用于實驗室研究，與實際的工程應用需求仍然存在較大的差距。如此，加大力度開發納米材料的批量化生產工藝就顯得尤為重要，不斷降低納米材料的應用成本以及經濟成本，由此更進一步實現污染物水體的高效分離和再生，從而有效評估納米材料對水體環境的安全性，從而逐步讓納米材料在水領域中具有更加普適性的研究方向。