納米技術(shù)及納米二氧化鈦在水處理和廢水回收中的應(yīng)用

時間：2016-03-31作者：深圳晶材化工有限公司瀏覽：560

納米技術(shù)及納米二氧化鈦在水處理和廢水回收中的應(yīng)用
晶材化工   2016-3-29 8:51:25      點擊：33
本世紀(jì)**面臨較大的挑戰(zhàn)之一就是確保實用的潔凈水質(zhì)． 隨著世界人口的增加，水污染變得較加復(fù)雜，難以移除，在許多地區(qū)，氣候變暖致使水資源缺乏，因此，廢水的回收利用就顯得尤為重要，甚至成為可飲用水． 然而，現(xiàn)有的水處理系統(tǒng)不能夠滿足這一要求． 納米技術(shù)的出現(xiàn)可以提供機會來發(fā)展新一代的水處理系統(tǒng)． 本文綜述了納米技術(shù)和納米材料在水處理和廢水利用方面的研究進展．
 
水是生命之源． 水資源安全和處理與地球健康、能源產(chǎn)品和經(jīng)濟發(fā)展有千絲萬縷的關(guān)系． 20 世紀(jì)以來，在提供公眾飲水健康，農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面，水供應(yīng)系統(tǒng)和廢水處理技術(shù)**了長足進步． 但是從**的水資源供應(yīng)來看，依舊面臨諸多問題和挑戰(zhàn)． 全世界每年有8. 84 千**缺乏足夠的飲用水， 180 萬孩子死于腹瀉，研究表明其主要原因就是由于水資源受到污染． 因此急需在沒有水處理系統(tǒng)的發(fā)展中國家提供基礎(chǔ)的、可負擔(dān)得起的水處理系統(tǒng)． 同樣在發(fā)達國家，水供應(yīng)系統(tǒng)也面臨諸多挑戰(zhàn)，一方面當(dāng)前的水處理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求; 另一方面，新污染源的出現(xiàn)，比如: 藥品、個人護理品和病毒等． 無論是集中水處理系統(tǒng)和分銷處理系統(tǒng)都不能適應(yīng)對水質(zhì)較高標(biāo)準(zhǔn)的要求． 過去的水處理設(shè)施耗費能源、對水造成損失，并且會造成水的二次污染． 與此同時，世界人口的過度增長也造成**水資源的缺乏，因此廢水的回收利用在缺水地區(qū)是一個必然的選擇． 但是當(dāng)前的廢水處理系統(tǒng)并不能滿足這一要求． 無論是分離的、集中水處理系統(tǒng)還是廢水系統(tǒng)都不能解決可持續(xù)的城市水供應(yīng)． 因此需要一種新技術(shù)來提供高效、多功能和便捷的水處理過程． 納米技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一門**． 這種技術(shù)可以提供追趕常規(guī)的水處理技術(shù)． 研究表明，基于個別納米技術(shù)水處理的性能**通常慣用的普通處理技術(shù)． 本文就基于納米技術(shù)在水處理和廢水回收過程的應(yīng)用研究進展做一綜述．
1 納米技術(shù)的應(yīng)用
納米技術(shù)不僅可以改進、增加當(dāng)前水處理技術(shù)的性能，并且可以發(fā)展為一門新的水處理技術(shù)． 在水處理應(yīng)用方面，納米材料具有的高比表面積可以用于吸附、高光催化活性和抗菌性，粒子分離的**順磁性以及其他一些新穎的光電性質(zhì)能可以提高水處理的質(zhì)量． 目前納米技術(shù)及納米材料在水處理和廢水回收應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面．
1. 1 用于吸附劑
納米吸附劑有許多**普通吸附劑的性能和好處． 比如: *特的高表面積，粒子之間作用的距離短，可調(diào)控的孔徑和表面化學(xué)性質(zhì)． 高比表面積具有高吸附容量． 而且，在納米尺度上高比表面積能和大小依賴于粒子的表面結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生高活性的吸附位點． 從而具有較高比表面積的吸附容量．許多納米材料可以作為特殊材料的靶向分子，具有高選擇性，多孔納米材料具有可調(diào)制的孔徑大小和結(jié)構(gòu)來控制吸附動力學(xué)． 納米吸附劑很容易被集成到當(dāng)前的水處理系統(tǒng)中，例如: 懸浮液反應(yīng)器、過濾膜和負載多孔顆粒吸附劑．
納米二氧化鈦． 對重金屬和放射性核素有很好的吸附作用，是一種可用的起、性能優(yōu)良的吸附劑． 這些粒子的表面通過修飾操縱可以較大限度來活化吸附點． 例如:材料角落、邊界、空隙和高能量的晶面． 另外，磁性納米粒子擁有*特的順磁性，很容易在弱磁場下分離水中的污染物． 近年來出現(xiàn)的一種新型核-殼結(jié)構(gòu)的磁性納米材料，磁核可以起到分離粒子的作用，核殼化學(xué)修飾后具有功能化的吸附層，從而形成快速、選擇性吸附和可降解的反應(yīng)中心．
1. 2 傳感和檢驗
隨著新污染源的出現(xiàn)，水質(zhì)檢驗面臨許多新的挑戰(zhàn)，比如污染物的低濃度、高復(fù)雜性等． 如何開發(fā)低成本、快速的檢測方法，是當(dāng)下水質(zhì)檢測研究的熱點． 而對于診斷消毒、生物膜控制，微生物快速檢測是一個主要的研究熱點，而這一切都需要開發(fā)**傳感器來提供高效、及時響應(yīng)和靶向**．納米材料和識別試劑的有效集成( 抗體、適配子、碳水化合物和抗菌蛋白等) 能夠?qū)ξ⑸餀z測具有快速、靈敏和高選擇性． 納米材料利用它們*特的電化學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，能夠提高傳感響應(yīng)的靈敏性和響應(yīng)速度，實現(xiàn)多通道靶向檢測． 磁性納米粒子和碳納米管可用來做樣品濃縮和純化，提高檢測響應(yīng)速度． **點( Quantum dots，QDs) 、染料摻雜的納米粒子、貴金屬納米粒子和磁性納米粒子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳感研究． **點有寬的吸收譜和穩(wěn)定的、窄的熒光**譜，這種**譜隨著納米粒子的大小和化學(xué)組成而發(fā)生改變． 在同一個激發(fā)光源下，可以利用多通道實現(xiàn)目標(biāo)分子的檢測． 對于染料摻雜硅和聚合物納米粒子，由于大量染料分子被限制到單個納米粒子上，所以表現(xiàn)出較高的熒光強度． 貴金屬納米粒子( 納米金、納米銀等) 利用共振表面等離子基元借助光響應(yīng)可以檢測出病原體． 這主要是利用納米粒子團聚的變化或折射因子的改變． 貴金屬納米粒子還能夠增強表面拉曼光譜． 增強因子能夠達到1014，所以常常能用于單分子檢測． 碳納米管是另一種優(yōu)良的電極材料和場效應(yīng)晶體管． 將碳納米管包裹在普通電極上( 任意、垂直) 或形成納米陣列電極，這樣就提高了分析物與檢測器的相互作用、縮短電子轉(zhuǎn)移距離，從而提高檢測性能．
1. 3 消毒和降解
傳統(tǒng)的消毒劑( 氯氣、臭氧等) 很大程度上會造成對水質(zhì)的二次污染，從而危害公眾的飲水健康． 因此需要通過技術(shù)創(chuàng)新來形成沒有副作用、或副作用較小的消毒劑． 納米銀、納米氧化鋅、納米二氧化鈦、納米氧化鈰、碳納米管和富勒烯等納米材料具有較強的抗菌性． 所以這些納米粒子或通過釋放自身有毒的金屬離子( 納米銀、納米氧化鋅) ，或直接接觸細胞膜( 碳納米管、碳60、納米氧化鈰) ，或形成反應(yīng)活性氧( 納米二氧化鈦、富勒醇、氨代富勒烯)，實現(xiàn)對微生物生長的鈍化． 在此過程中會形成較少量有毒的副產(chǎn)品． 納米銀經(jīng)常作為一種point-of-use( POU) 的水處理材料． 因為它表現(xiàn)出強的、寬譜和低毒的抗菌活性． 納米銀的這種抗菌活性主要通過Ag + 的釋放，釋放出的Ag + 能夠與蛋白中的巰基( － SH) 和DNA 中的磷具有很好的鍵合作用，從而起到抑制微生物生長的作用．碳納米管的纖維結(jié)構(gòu)、抗菌活性和導(dǎo)電性能夠應(yīng)用到抗菌膜中． 碳納米管和其他碳納米材料的抗菌作用主要涉及到細胞膜的紊亂和電子結(jié)構(gòu)的氧化扭曲． 短、分散和小直徑的金屬化碳納米管毒性較大． 碳納米管過濾膜也借助電化學(xué)過程，在小伏間歇性電壓的作用下，通過氧化可以機械捕獲病毒． 在電泳過程中，致使病毒朝碳納米管移動．另一種納米材料水處理方法是利用太陽光，通過光催化來降解**污染物和失活病毒． 目前研究的焦點主要集中在增強納米材料的**產(chǎn)率、光催化循環(huán)次數(shù)和設(shè)計優(yōu)化光反應(yīng)中心． 然而，目前研究結(jié)果做到通過靶向吸附來高選擇性催化． 提高其催化的選擇性，主要依賴于表面化學(xué)裁剪光催化設(shè)計．
二氧化鈦光催化效率通過產(chǎn)生反應(yīng)活性氧( Reactive oxygen species，ROS) ，在紫外線的照射下產(chǎn)生**氧和羥基自由基． 相比塊狀二氧化鈦，納米二氧化鈦有較高的光催化活性． 這是由于大比表面積、低電荷/空穴復(fù)合比和快速的電子注入的緣故． 然而當(dāng)二氧化鈦離子尺寸小到幾個納米時，將失去光催化活性． 這是由于不能在粒子表面形成電荷和空穴．所以必需考慮優(yōu)化納米粒子的尺寸，使其達到較大的催化效果． 另外也可以通過貴金屬的摻雜來減少二氧化鈦電荷/空穴復(fù)合的幾率． 通過對TiO2表面的處理來增加污染物的粘附力． 相比二氧化鈦粒子，二氧化鈦納米管有較低的電荷/空穴，由于短的運輸路徑從而對污染物有較好吸收． 通過各種不同的摻雜，包括金屬、染料敏化劑、窄價帶半導(dǎo)體和非金屬．結(jié)果表明: 通過雜化能級、電子注入、能帶變窄等方法，可以拓寬二氧化鈦激發(fā)譜到可見區(qū)范圍． 在所有的摻雜體中，氮的非金屬摻雜體被認(rèn)為是較有工業(yè)應(yīng)用前景的廉價摻雜劑． 然而，降低TiO2紫外活性和提高摻雜二氧化鈦的穩(wěn)定性還需要進一步研究．富勒烯和碳納米管也是很好的光敏劑，也能夠產(chǎn)生水中的反應(yīng)活性氧． 在可見光區(qū)激發(fā)，氨代富勒烯和富勒醇能夠產(chǎn)生單線態(tài)氧，這種氧化劑對富電子的**物有很好的選擇性，從而提供了在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)對污染物的原位降解
2 展望
納米技術(shù)提供了實現(xiàn)新一代水處理系統(tǒng)跨越式發(fā)展的機會． 在發(fā)達國家，納米技術(shù)在水處理的短期應(yīng)用包括解決當(dāng)前水處理出現(xiàn)的問題，改造現(xiàn)有的水供應(yīng)系統(tǒng); 通過對當(dāng)前現(xiàn)有設(shè)備較小的改動來實現(xiàn)增加水處理容量，并提高效率． 借助納米技術(shù)也可以實現(xiàn)廢水的回收利用． 基于凈水系統(tǒng)的納米技術(shù)能夠改進自來水，通過降低次級污染物，使其成為飲用水和其它**水質(zhì)應(yīng)用( 圖2) ． 同樣在發(fā)展中國家，納米技術(shù)將使凈水系統(tǒng)較便于操作、維修和較新替換，使用較小的電能和化學(xué)方法來實現(xiàn)一些特殊的水處理需求．隨著科學(xué)研究的深入和對未知領(lǐng)域的探索，不久的將來，納米技術(shù)將扮演非常重要的角色，在重塑水處理系統(tǒng)較加持久和作用．


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