纳米材料在水处理技术中的应用

纳米玻璃是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第2 相(微粒子、分相、结晶或气孔) 的玻璃材料。玻璃的特点是透明性、热或光化学稳定性好，并具有无定形结构，能容纳不同晶格常数的纳米尺度量子点而产生较少界面缺陷，是比较理想的基体材料。纳米功能颗粒与玻璃相之间通过相的复合，可以获得具有一系列特殊功能的功能材料。

1. 纳米玻璃的制备

1.1 熔融热处理法

熔融热处理法，也称共熔法，是将基础玻璃料与掺杂物混合(一般同时引入还原剂，如：Sb2O3 ,SnO2等)，干燥后高温熔融，再冷却成形，用两步退火法制CdSexS1 - x半导体纳米微晶玻璃或先熔制基础玻璃后再粉碎,与掺杂物混合,高温熔融后淬火,最后进行热处理。通过调节热处理的温度和时间来控制析出纳米颗粒的尺寸及分布。

利用熔融热处理工艺可制备在硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃系统中掺杂纳米金属Au，Ag，Cu或部分半导体如：ZnxCd1 - x S，ZnS：Mn2+，CuCl或Sb2S3x Se3-x ,Bi2S3，CuI 等的复合玻璃。此法工艺简单，成本低廉，可制备大尺寸和各种形状的玻璃材料，但需高温熔制，一般为1200～1500 ℃。熔融法制备时还必须注意热处理气氛。掺杂物的低溶解度和易挥发或氧化使得掺人质量分数(下同) 少(10 - 1 %～10 - 4 %)，且反应不易控制，易出现杂相。

1.2 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法通常将半导体颗粒原料或金属盐直接引入溶胶，制成干胶后进行热处理析出纳米颗粒。微孔渗杂、表面包裹以及合理的热处理可以有效控制颗粒尺寸。该工艺合成温度低，并能用气氛保护，能制备具有特殊组成的玻璃，适用于制备薄膜材料的样品。样品成分完全可以按照其原始配方和化学计量比准确获得，并具有高的纯度和良好的均匀性。溶胶-凝胶法可制备掺Au，Cu，CuCl，CuBr复相玻璃，含纳米TiO2 的高硅氧玻璃,以及PbS，CdSe，CdS，CdS，Mn 等纳米粒子掺杂玻璃。溶胶-凝胶法具有掺杂浓度高、粒径分布窄等优点。缺点是不易形成多组分玻璃,有时还会产生其它产物。

化工设计通讯　

Ｃｈｅｒｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　新材料与新技术　

Ｎｅｗ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第４２卷第５期　

２０１６年５月　

纳米材料与技术在水处理应用中的新进展　

李晓军　，马　扬　

（１．山西电力科学研究院，山西太原０３００００；　

２．山西世纪中试电力科学技术有限公司，山西太原０３０００１）　

摘要：提供满足人类需要的纯净水资源是２１世纪的一项巨大挑战。全世界范围内的水资源供给需求越来越迫切，人口增　

长、全球天气变暖及水质恶化都加剧了这一需求。所以，需要通过技术创新来整合水资源管理。纳米技术在水处理领域具有很　

大的发展潜力，它可以提高处理效率，也可以通过新型水源的安全使用来增加水供给。这里我４１＇１，９．纳米吸附材料、纳米光催化　

材料和纳米膜过滤来讨论纳米材料与技术在水处理中的最新进展。　

关键词：纳米技术；水处理；纳米吸附材料；纳米光催化材料；纳米膜过滤　

中图分类号：Ｘ７０３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００３—６４９０（２０１６）０５－００７３￣０３　

Ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｎａｎｏ　Ｍｅｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆ０ｒ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ＬｉＸｉａｏ－ｊｕｎ，Ｍａ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ｃｌｅａｎ　ａｎｄ　ａｆｒｏｒｄａｂｌｅ　ｗａｔｅｒ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｈｕｍａｎ　ｎｅｅｄｓ　ｉｓ　ａ　ｇｒａｎｄ　ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　２　１　ｓｔ　ｃｅｎｔｕｒｙ．Ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ，ｗａｔｅｒ　

ｓｕｐｐｌｙ　ｓｔｒｕｇｇｌｅｓ　ｔｏ　ｋｅｅｐ　ｕｐ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｇｒｏｗｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｅｘａｃｅｒｂａｔｅｄ　ｂｙ　ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ｇｒｏｗｔｈ，ｇｌｏｂａｌ　ｃｌｉｍａｔｅ　ｃｈａｎｇｅ，　

纳米材料在水处理中的应用探讨

水是生命之源，对于人类的生存和发展至关重要。然而，随着工业化和城市化的快速发展，水资源受到了越来越严重的污染，这给水处理带来了巨大的挑战。近年来，纳米材料因其独特的物理和化学性质，在水处理领域展现出了广阔的应用前景。

一、纳米材料的特性

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1 100

纳米）的材料。由于其尺寸小，纳米材料具有比表面积大、表面能高、量子尺寸效应、小尺寸效应等独特的性质。

比表面积大意味着纳米材料能够提供更多的活性位点，从而增强与污染物的相互作用。高表面能使得纳米材料具有更高的化学活性，容易与其他物质发生反应。量子尺寸效应和小尺寸效应则会导致纳米材料的电学、光学和磁学等性质发生变化。

二、纳米材料在水处理中的应用类型

1、 纳米零价铁（nZVI）

纳米零价铁具有高反应活性和强还原性，能够有效去除水中的重金属离子（如铬、汞、铅等）和有机污染物（如氯代有机物、硝基苯等）。它可以将高价态的重金属离子还原为低价态，使其沉淀或形成更易去除的形态。同时，纳米零价铁能够降解有机污染物，将其转化为无害物质。

2、 碳纳米管（CNTs）

碳纳米管具有优异的吸附性能，能够快速吸附水中的有机污染物、重金属离子和染料等。其特殊的中空结构和大比表面积为污染物的吸附提供了充足的空间。此外，碳纳米管还可以作为载体，负载其他纳米材料或催化剂，提高水处理效果。

3、 纳米二氧化钛（TiO₂）

纳米二氧化钛是一种常见的光催化材料，在紫外线照射下能够产生强氧化性的自由基，将水中的有机污染物分解为二氧化碳和水。它对难降解的有机污染物，如农药、抗生素等具有良好的去除效果。

4、 磁性纳米材料

磁性纳米材料（如四氧化三铁）具有超顺磁性，在外加磁场的作用下能够方便地从水中分离出来。它们可以用于吸附水中的重金属离子和有机污染物，实现污染物的快速分离和回收。

三、纳米材料在水处理中的作用机制

纳米材料在水处理领域的应用技巧

水是生命之源，但由于工业污染、农业活动和人口增长等原因，水资源的短缺和水质污染已成为全球关注的问题。纳米材料作为一种新兴的材料，具有特殊的物理和化学性质，对水处理领域具有巨大的潜力。本文将介绍纳米材料在水处理领域的应用技巧，并讨论其在水污染治理、水质改善和水资源回收等方面的作用。

1. 纳米材料在水污染治理中的应用技巧

（1）吸附材料的选择：纳米材料的特殊结构和表面特性使其具有出色的吸附能力。常见的纳米吸附剂包括纳米氧化铁、纳米活性炭和纳米硅胶等。在选择吸附材料时，应考虑水质特点和目标污染物的性质，以确保最佳的吸附效果。

（2）纳米光催化剂的应用：纳米光催化剂具有光催化降解有机污染物的能力。通过选择合适的纳米光催化剂和调整反应条件，可以实现高效降解目标污染物并减少能源消耗。常用的纳米光催化剂包括二氧化钛纳米颗粒、纳米二氧化硅和纳米氧化锌等。

（3）纳米膜技术：纳米膜是一种高效的分离技术，可以去除水中的悬浮物、颗粒物和溶解性离子。常用的纳米膜包括纳米过滤膜、纳米蒸发膜和纳米反渗透膜等。通过优化膜材料的结构和制备工艺，可以提高纳米膜的分离性能和抗污染性能。

2. 纳米材料在水质改善中的应用技巧

（1）纳米材料的消毒作用：纳米银、纳米铜和纳米金等纳米材料具有抗菌作用。将纳米材料与水接触，可以破坏细菌、病毒和其他微生物的细胞膜，达到消毒的效果。但同时需要注意，纳米材料的残留和生物毒性对环境和人体健康的潜在影响。

（2）纳米材料的除臭作用：纳米氧化锌和纳米二氧化钛等纳米材料具有良好的除臭效果。这些纳米材料可以吸附和分解水中的恶臭物质，有效改善水体的气味。 （3）纳米材料的重金属去除：纳米材料在去除水中重金属方面具有潜力。纳米铁、纳米氧化锌和纳米硅胶等纳米材料可以与重金属离子发生化学反应，形成难溶化物并沉淀下来。这种方法可以降低水中重金属离子的浓度，减少对水体生态系统和人体健康的潜在威胁。