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膜技术在水处理中的应用与发展研究
作者：李航
来源：《中国科技博览》2018年第24期
[摘 要]随着我国社会的不断发展进步，人类进入了高速发展的时期，首当其冲的，水资源短缺是人类发展的过程中遇到的巨大的问题，伴随着的材料科学的发展以及膜技术的成熟，相较于传统的水处理技术，膜技术应用于水处理是现代水资源处理的新思路。膜材料科学的研究，从生物学出发，发挥了膜的分离各类物质的重要作用，在新型膜技术当中，我们的可以通过设计膜的各种性质，来使得膜材料能够选择性分析废水当中的有害物质，从而达到处理的水资源的目的。基于此，本文对膜技术在水处理中的应用与发展进行分析。
[关键词]膜技术；水处理；发展趋势
中图分类号：S703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0167-01
1 膜技术概述
膜技术是随着现代生物学与物理学的发展而诞生的，膜技术类似于生物细胞的细胞膜，对于膜两侧的有一些物质可以选择性透过，因此，膜技术在水处理方面有着客观的前景。当前的我们的所研究的膜技术，一般为分离性材料制作而成，制作出来的膜具有一些特殊的物理性质，我们所使用的膜有特殊的材料制作而成，在使用的过程中，我们的膜能够有效的将过滤物质中的杂质或有害物质过滤出来，从而达到的净化水资源的目的。膜技术的相较于传统的水处理技术，不必使用酸碱等原料对杂质进行沉降过滤，可以直接将需要处理的水通过膜技术形成的特殊膜材料，就可以将水资源进行处理，具有高效、便捷等优点。随着世界淡水资源逐渐紧张，对于海水、苦碱水、废水等水进行净化，形成人类能够饮用的淡水资源是一项非常关键的技术，我国在水资源净化方面的起步较晚，可以预料的是膜技术的许多发达国家净化水资源的研究方向之一，我国的膜技术方面，应该去借鉴其他国家的成果，早日掌握较为先进的膜技术，不但可以缓解水资源紧张的问题，还能够在一些其他领域发挥出巨大的作用。
二、预期目标
1、总体目标：
本项目从我国饮用水安全的需求出发，围绕去除饮用水中微污染物的问题，设计和合成高效捕获微污染物的纳米结构材料，揭示纳米结构材料与饮用水中微污染物相互作用机理；探索饮用水中微污染物高效去除与原位“富集-转化”一体化处理的新方法；发展高性能净水纳米结构材料的低成本、宏量制备方法；研究净水纳米结构材料安全性的有效评价方法；建立去除饮用水中微污染物的原理性示范装置。通过项目的组织实施，为饮用水深度净化方法提供关键材料基础和核心技术支持，促进纳米科学、化学、物理、环境、材料科学等学科的交叉与融合，培养一批具有创新性研究能力的交叉学科人才，形成几个在相关领域中有重要国际影响的研究群体。
2、五年预期目标
（1）以本项目相关课题组已研发的净水纳米材料和组装结构为基础（如聚十三铝纳米絮凝剂、微/纳SiO2@γ-AlOOH球、多孔硅酸盐空心球等），通过纳米结构表面改性和调控，研究纳米材料铆固在常规多孔材料孔洞内的结构特性，并建立相应的表征方法；研究纳米材料对饮用水中微污染物的吸/脱附性质，揭示选择性吸附及反应的本质和机理。
（2）研发出3-4种用于吸附去除水中无机微污染物（如砷、铅、汞等）的纳米结构材料，揭示纳米结构与无机微污染物的吸/脱附机理；发展纳米结构材料项目名称： 应用纳米技术去除饮用水中微污染物的基础研究
的低成本宏量制备方法；开发基于纳米结构吸附材料的饮用水处理装置。
（3）研发出2-3种用于选择性富集-催化降解腐殖质、灭草松和三卤甲烷等为代表的有机微污染物的纳米功能材料（如纳米活性炭纤维），揭示纳米结构对饮用水中有机微污染物富集-转化一体化的增强和耦合机制，阐明其作用规律，构建饮用水有机微污染物的高效富集-无害化处理系统。
（4）通过纳米材料与水中微污染物相互作用产生的光、电等响应信号的研究，设计相应的检测器件，发展针对饮用水中微污染物的快速检测方法，建立净水纳米结构材料去除饮用水中微污染物效果的评价体系，为净水纳米结构材料的安全应用与示范装置提供技术保障。
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
《纳米技术与纳米材料》课程的改革与实践研究
纳米科技是继信息技术之后，人类的又一次技术革命，在人类未来的生活中有着非常重要的影响，纳米科技包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米机械学、纳米加工学、纳米检测与表征等多种学科，是21世纪飞速发展的一门新兴学科，它涉及到物理、化学、生物、电子、机械等多个学科，一个交叉性综合性学科。而纳米材料是整个纳米科技的基础，纳米技术则是整个纳米科技的灵魂，两者在纳米科技中相互交织，一起构成了纳米科技的主体，将会带动整个纳米科技发展。认识纳米技术与纳米材料将会是学生能够了解并跟上未来科技的发展，使学生能够对纳米这种新的科学技术有较为全面认识，开拓视野，扩展知识，从而能够让学生在今后从事纳米方面的工作打下良好的技术，所以很多高校在本科生中开设了《纳米技术与纳米材料》课程。《纳米技术与纳米材料》是一门交叉性综合性学科，涉及到物理、化学、电子、生物等学科的基础知识，而授课所面向的学生在这些技术知识方面存在不同程度的不足，在教学方面存在很大的难度；同时纳米科技发展迅猛，需要不断地更新纳米科学技术的最新进展。如何让学生能够全面地了解纳米科技，理解纳米科技中的一些基本原理，对纳米科技产生兴趣，并培养学生的创造能力和思考能力，这是授课中需要思考的问题。针对上述问题，需要对课程的内容安排，教学的方式方法，教学形式以及考核方面做出一些改进和补充。
一、教学内容的安排与更新
《纳米技术与纳米材料》这门课基本涵盖了纳米科技的整个领域，具有内容多，更新快，范围广等特点，且需要在规定的时间内将整个纳米领域讲授给学生，这就需要教学内容条理清晰，重点突出，逻辑性强，结合纳米科技的特点具有较强的创新性和启发性。在我校这门课所选用的教材为国防工业出版社的《纳米技术与纳米材料》（张志焜，崔作林著），该书主要以纳米材料为中心，介绍了纳米材料的制备、特性以及纳米材料的加工、表征手段，内容丰富，知识面广，介绍详细且深入，是一本较为全面的图书。但对于课程的授课对象——本科生以及学校的实际授课课时来说，这本书的还存在一定的问题，如学时较少，涉及的知识面较宽，书中涉及到的理论较为深奥，而学生的基础知识较为薄弱，且授课课时受限，因此导致学生很难接受教材中的知识，全面地理解书中内容。为此，需要将整个教材的内容重新规划，根据纳米科技领域中所涉及到的学科，故将这门课分为纳米基础及概况、纳米材料的应用、纳米材料的制备、纳米材料加工、纳米电子学、纳米机械学，纳米生物学，纳米的发展前景八个部分，这八个部分既相互独立，也相互联系。以这八个部分为主线，将纳米材料的制作，性能，原理以及应用通过总体介绍、分类介绍、综合讲述，全面地介绍纳米科技以及纳米材料的总体以及两者的相互联系。并且在实际授课中，需要言简意赅，重点突出，条理分明，前后贯通，对于纳米科技所涉及的知识尽量深入浅出，对于抽象的知识，通过比喻等方法，将其形象化，易于让学生接受。如讲授纳米电子学的时候，就需要将纳米材料有哪些特殊的电子学特性及优越性明确指出来，以提起学生的兴趣，随后介绍出为什么纳米材料以及纳米结构会出现这种特性，通过比喻等方法，形象化介绍纳米电子机理、机制。针对本科生基础知识薄弱，所以要尽量减少一些不必要的理论知识，并且重点介绍纳米科技中的方法以及思路，从而能够让学生既能够了解纳米科技，又能从纳米科技的发展中学习到纳米科技的创新思路，从而能够培养学生的创新精神和科学素养。同时针对纳米科技这一新兴学科不断发展的特性，适时、适当地开展专题课程介绍目前纳米科技发展的最新动态，从而能够让学生更多地了解目前纳米科技的科研动态，引导学生关注纳米科技的最新动态。希望能够通过这些内容的学习，从而能够使学生真正的了解纳米科技，掌握其中的基础知识，以及其中的一些实用基础，并拓宽知识面，养成科学、严谨、创新的基本素质。
