环境纳米技术在废水处理中的研究应用.doc

环境纳米技术在废水处理中的研究应用 纳米科技是以1～100nm分子大小的物质或结构为研究对象的学科，是指通过一定的微细加工方式，直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列结合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，并研究其特性，由此制造具有新功能的器件、机器以及其他各个方面的应用科学与技术。它是现代物理（介观物理、量子力学、混沌物理和分子生物学等）和先进工程技术（计算机、微电子和扫描隧道显微镜等技术）结合的产物。 纳米材料则是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料在机械性能、磁、光、电、热等方面与普通材料有很大的不同，具有辐射、吸收、催化、吸附等新的特性。纳米材料的这些特性对水体中的某些污染物有着独特的作用，使得纳米科技在现代的水处理中有着美好的应用前景，将使传统的水处理技术发生突破性进展。 污水中通常含有有毒有害的物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等，污水治理即是将上述物质从水中去除。传统的水处理方法主要有物理法、化学法和生物法等。传统的污水处理方法一般效率较低、成本高、有的存在二次污染等问题，使得污水治理一直得不到很好的解决。纳米技术的出现及其在水处理中的研究发展，可望使废水处理技术在不久的将来会有较大的突破。本文将从纳米光催化、纳米膜过滤、纳米吸附材料等三方面介绍纳米技术在废水处治理方面的应用研究情况。 1.纳米TiO2光催化氧化技术 近年来, 废水中的有毒有害污染物的光催化降解技术已作为一种深度强化处理技术而得到研究。研究表明，纳米TiO2具有粒度细、化学活性高、可见光透过性好、吸收紫外线的光能力强、耐热性好、耐化学腐蚀、无毒、价格低等特点，可用作性能优良的光催化剂、催化剂载体和吸附剂等。利用纳米TiO2进行光催化氧化处理，可有效地将大多数有机氯化物及多种杀虫剂、除莠剂、表面活性剂、致色基团等，彻底氧化为CO2、HCl和水等无毒产物。 1.1 原理和特点 自1976年J.H.Cary等人报道了在紫外线照射下，纳米TiO2可以使难降解的多氯联苯脱氯以来，迄今已发现有数百种有机污染物可以通过光催化处理。纳米TiO2材料光催化氧化技术应用在处理有毒、难生物降解废水中，是基于纳米材料的比表面积和表明自由能原理。其原理是，在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基((OH)，使水中的有机污染物彻底氧化降解为和CO2和H2O。纳米TiO2光催化氧化技术的优点是：a.降解速度快，只需要几十分钟到几个小时即可取得良好的废水处理效果；b.降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等；c.氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或阳光下即可发生光催化氧化反应；d.二次污染，有机物彻底被氧化降解为CO2和H2O；e.应用范围广，几乎所有污水都可以采用。具体应用研究主要有如下几个方面。 1.2 纳米TiO2水处理中的应用探索研究 1.2.1 有机磷农药废水处理 农药一般分为除草剂和杀虫剂, 其危害范围很广, 在大气、土壤和水体中停留时间长, 故其分解去除倍受人们的关注。目前有机磷农药占我国农药产量的80％以上，其生产过程有大量的有毒废水产生，传统的生化法处理后废水中有机磷的含量仍高达30mg/L，目前尚无理想的解决办法。国内有人采用纳米TiO2/SiO2负载型复合光催化剂，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有机磷农药在其表面迅速富集，随光照时间延长，有机磷农药的光解率逐渐升高，光照80min试验的敌百虫可完全降解。利用纳米TiO2/SiO2降解敌敌畏的研究也取得一定的成果。利用光催化去除农药的优点是它不会产生毒性更高的中间产物, 这是其它方法所无法相比的。 1.2.2 氯代有机废水处理 卤代有机化合物包括卤代脂肪烃、卤代芳香烃、卤代脂肪酸等。这类物质在各国提出的优先控制的有害物质“黑名单”中占有相当大的比例, 因而研究其催化分解条件、机理都有很大的现实意义。这类物质在光催化分解的过程中, 一般都先羟基化, 再脱卤, 逐步降解, 直至矿化为CO2、H2O等简单的无机物。 日本东京大学用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合进行废水的净化处理。在模拟废水处理的实验中，以质量浓度为13mg/L的3-氯酚的水溶液为模拟废水，分别采用纳米TiO2光催化剂与臭氧联合，单独用光催化剂纳米TiO2单独用O3三种方法对其进行处理。纳米TiO2光催化剂与臭氧联合2h后，可将所含3-氯酚完全去除，效果明显高于其他两种方法。用内表涂覆纳米TiO2光催化剂的陶瓷圆管处理质量浓度为5.5mg/L苯酚和三氯乙烯水溶液的实验表明，苯酚在1.5h后完全分解，三氯乙烯亦很快在2h内完全分解。 英国伦敦和安大略核子技术环境公司利用人工采光和纳米TiO2开发了一种新的