[提要]本文介紹納米技術在水處理中的作用，介紹納米TiO 光催化氧化在污水處理方面的研究進展，說明納米膜技術在處理廢水中的重要意義，指出納米技術對水處理研究的推動及其發展前景。
[關鍵詞]納米技術 水處理 TiO2光催化氧化 納米膜技術
一、納米技術及其效應
納米技術是指在1—100尺度上研究和應用原子、分子現象，由此發展起來的多學科、基礎研究與應用研究緊密聯系的新的科學技術。它是現代物理(介觀物理、量子力學、混沌物理和分子生物學等)和先進工程技術(計算機、微電子和掃描隧道顯微鏡等技術)結合的產物。納米技術包括納米結構和納米材料。納米結構是指在納米尺寸上構架功能性結構。納米材料指的是構成材料的結構單元尺寸是納米尺寸，并且用的材料性質是這個尺度上物質特有的非常規性質。納米顆粒由于具有極小的尺寸，產生了常規顆粒的大塊材料所不具備的新效應。
1. 小尺寸效應(又稱體積效應)。當超細微粒的尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長或超導態的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，其周期性的邊界條件將破壞，光、聲、電、磁、熱力學等特性會表現出新的小尺寸效應。
2．量子尺寸效應。當粒子的尺寸小到某一值時，金屬的費米能級附近的電子能級由準連續變成離散，對于納米半導體材料存在的不連續的最高被占據分子軌道和最低未被占據分子軌道的能級和能隙變寬，此現象稱為量子尺寸效應。
3．宏觀量子隧道效應。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有貫穿宏觀系統勢壘而產生變化的隧道效應—— 宏觀量子隧道效應。
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4．表面效應。表面效應是納米粒子及固體材料中重要的效應之一，是指表面原子數隨納米結構尺寸減小而急劇增大后引起的性質上的變化。表1是顆粒粒徑、原子數及表面原子數之間的關系。表面原子數的增加、原子配位的不足，必然導致納米結構存在許多表面缺陷，使表面具有很高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合。納米顆粒的粒徑極小，具有巨大的比表面積的表面自由能。
二、納米TiO2氧化技術研究情況
納米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，納米TiO2表面會產生氧化能力極強的羥基自由基(·OH)，使水中的有機污染物氧化降解為無害的CO2和水。納米TiO2光催化氧化技術的優點是：降解速度快，一般只需幾十分鐘到幾小時即可取得良好的廢水處理效果；降解無選擇性，尤其適合于氯代有機物、多環芳烴等；氧化反應條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在陽光下即可發生光催化氧化反應：無二次污染，有機物徹底被氧化降解為CO2和H O；應用范圍廣，幾乎所有的污水都可以采用。現有國內外的幾種試驗研究情況如下：
1．有機磷農藥廢水處理。有機磷農藥占我國農藥產量的80％以上，其生產過程中有大量的有毒廢水產生。據報道，采用納米TiO2·SiO2負載型復合光催化劑，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有機磷農藥在其表面迅速富集，隨光照時間的延長，有機磷農藥的光解率逐漸升高，光照80min，試驗用敵百蟲已完全降解。
2．毛紡染廢水處理。把表面涂覆有納米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反應器內，通過潛水泵使廢水在反應器內循環進行光催化氧化處理。由于納米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中的有機物接觸更為充分，可將它們最大限度地吸附在其表面，并迅速將有機物分解成CO2和H2O，處理效果優于生物處理和懸浮光催化氧化處理，COD去除率和脫色率均較高。
3．氯代有機物廢水處理。在模擬廢水處理的試驗中，以16mg／L3-氯一酚的水溶液為模擬廢水，分別采用納米TiO2光催化劑與臭氧聯合、單獨用光催化劑納米TiO2和單獨用納米琴價鐵三種方法對其進行處理。用內表面涂覆納米TiO2光催化劑的陶瓷圓管處理5．5mg／L苯酚和三氯乙烯水溶液的試驗表明，苯酚在1．5 h后完全分解，三氯乙烯也在2 h內完全分解。
4．含油廢水處理。含油廢水中所含的脂肪烴、多環芳烴、有機酸類、酚類等有機物很難降解，使用納米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解這些有機物。
上述研究情況表明，納米TiO2光催化氧化技術在徹底降解水中的有機污染物和可以利用太陽能等方面有著突出的優點，特別是當水中的有機污染物濃度很高或用其他方法難以處理時，具有更明顯的優勢，是其他傳統方法無法比擬的。目前，世界有關國家已嘗試把納米TiO2光催化氧化技術用于水處理的實驗室研究，如何盡快實現工程化，有待各相關領域的研究人員進一步努力。
三、納米膜技術及其試驗應用
納米膜技術是一種膜分離技術。膜孔徑處于納米級，適宜于分離分子量在200-1000，分子尺寸約為1的溶解組分的膜工藝被稱為納濾(NF)。NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0．5-2．0 MPa，比用反滲透膜達到同樣的滲透能量所必需施加的壓差低0．5-3Mpa。NF分離是一種綠色水處理技術，特點是：能截留分子量大于10O的有機物以及多價離子，允許小分子有機物和單價離子透過：可在高溫、酸、堿等苛刻條件下運行，耐污染：運行壓力低，膜通量高，裝置運行費用低；可以和其他污水處理過程相結合以進一步降低費用和提高處理效果。納米膜技術在水處理試驗研究成功應用于制糖、制漿造紙、電鍍、機械加工以及化工反應催化劑的回收等行業的廢水處理。
1．日用化工廢水處理。用NF膜處理日用化工廢水的應用研究表明，NF膜耐酸堿，有優良的截留率，對重金屬有很好的去除率，不存在膜污染問題。據計，由于NF膜的運行費用低于反滲透技術，對有機小分子有良好的脫除率，可能會覆蓋9O％以上的日用化工廢水處理。
2．殺蟲劑廢水處理。一般的水處理方法不能除去污染水中的低分子有機農藥。通過研究NF膜對不含酚殺蟲劑的截留性能，發現除了二氯化物以外，其他殺蟲劑的截留率均高于96．7％，所有殺蟲劑在NF膜上的吸附能力均受其疏水性的影響。采用NF處理含有酚類殺蟲劑的廢水也十分有效。
3．化纖、印染工業廢水處理。NF可以用于印染過程排水中染料及助劑的脫除和回用。處理染料聚合漿料時，由于大多數染料的分子量在幾百到幾千，NF膜可以讓一些無機鹽或小分子通過，而對較大的染料分子進行截取，粗染料漿液經NF系統后，染料可以富集，而無機鹽的濃度下降，脫鹽率大于98％ ，染料損失率小于O．1％ ，而且可以在高溫下運行。此外，NF還可以用于纖維加工過程中的含油廢水的處理及回收再利用。
4．生活污水處理。采用常用的生物降解和化學氧化相結合的方法處理生活污水時，增加一個NF系統，讓能被微生物降解的小分子(分子量小于100)通過，不能生物降解的有機大分子(分子量大于10O)被截留下來經化學氧化后再生物降解，這樣就可以充分發揮生物降解的作用，節省氧化劑或活性炭的用量，降低最終殘留物的含量。
5．造紙廢水處理。采用NF膜技術替代傳統的化學處理法能更有效地除去深色木質紊。木漿漂白過程產生的氯化木質紊是帶負電的，容易被帶負電性的NF膜截留，并且對膜不會產生污染。另外，因為整個處理過程中對陽離子(Nal的脫除率并沒有嚴格要求，采用反滲透技術就顯得沒有必要。采用超濾／納濾處理牛皮紙制造廢水有很好的效果。
四、納米技術在水處理的應用前景
上世紀九十年代中期以來，納米技術發展很快，尤其在水處理中的應用研究，前景十分廣闊。
1．納米技術對印染廢水、農藥廢水的處理。納米TiO2顆粒用于對廢水和空氣中的有機污染物、重金屬等有害特質進行催化氧化和還原，起到凈化水體和空氣的作用。傳統上對印染廢水、農藥廢水的處理難度大，效益不明顯。以納米TiO2對印染廢水、農藥廢水的處理具有特別重要的意義。
2．納米TiO2光催化作用。納米TiO2光催化材料本身具有良好的化學穩定性、光催化氧化和還原能力，可制成透明薄膜并且可摻雜材料多等優點，這種材料越來越受人青睞。TiO2光催化研究發展方向將主要表現在：TiO2材料性能進一步探討；摻雜和光催化效率的研究：TiO2光催化劑薄膜的探索；探尋新的光催化分解對象——有機生物體。
3．納米技術的發展和應用將會給環境污染治理技術的發展開創新的領域。納米科技是一門新興的學科，其在水處理中的應用才剛開始，但已初顯端倪。可以預見，隨著研究工作的不斷深入和實用化水平的提高，納米水處理技術將在21世紀得到發展，并對解決全球性的水荒和水體污染問題起到十分重要的作用。
[參考文獻]
【1】姚清照，劉正寶．光電催化降解染料廢水．工業水處理1999(6)：15-16
【2】樊彩海，孫彥平．苯酚的TiOz薄膜光電催化降解及反應產物的分布．太原理工大學學報．2000，31(5)：20-23
【3】高鐵，錢朝勇．TiOz光催化氧化水中有機物進展．工業水處理，2000(4)：10-13
【4】郭景坤，納米化學研究及其展望．世界科學，1999(2)：13-16來源：谷騰水網 作者: 張洋
