纳米水处理技术概述

1纳米水处理技术概述1nm=10-9m，通常所说的纳米材料一般指由粒径为1~100nm的颗粒所构成。由于纳米颗粒具有的特殊效应：小尺寸效应（体积效应）、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应，造成了纳米材料在吸附能力、化学反应能力、光催化能力等方面表现出异常的特性。纳米材料的上述特性能够促进表面化学过程，因而在催化和水处理中具有特定优势。目前纳米水处理技术主要有以下三类：1.纳米光催化技术【主要采用纳米TiO2，国内外开展的大多数研究都是针对TiO2。研究单位有：中科院化学研究所、英国伦敦安大略核子技术环境公司、中山大学化工学院等】纳米光催化材料大多是金属氧化物或硫化物等半导体材料，它们具有特殊的电子结构。纳米光催化氧化技术特点主要有：（1）降解速度快，一般只需几十分钟到几个小时即可取得良好的废水处理效果。（2）降解无选择性，几乎能降解任何有机物。（3）氧化反应条件温和、投资少、能耗低，用紫外光照射或在阳光下即可发生光催化氧化反应。（4）无二次污染，有机物可彻底被氧化降解为CO2和H2O。（5）应用范围广，几乎适合处理所有类型的污水，如：化工废水、农药废水、含油废水、无机废水等。TiO2是公认的最有效光催化剂，它具有以下显著优点：（1）能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分；（2）既可作为氧化也可作为还原催化剂；（3）在较大pH值范围内的稳定性强；（4）无毒。缺点：（1）由于TiO2只能吸收波长小于387nm的紫外辐射，因此不能充分利用太阳能；（2）TiO2的光量子效率也有待进一步提高。纳米TiO2材料的催化效率高于一般的半导体，可用于对水中无机或有机污染物的清除。纳米TiO2颗粒在水处理中作为光催化剂已被广泛研究，迄今为止已发现有数百种有机污染物（石油污染物、农药等）均可通过纳米TiO2的光催化氧化进行降解，并最终生成CO2和H2O。采用紫外光辐射能够促进该降解反应。应用纳米TiO2可还原重金属离子，例如：铬、金、铂等。TiO2用于固定纳米TiO2粉末的载体通常可选：粘土、玻璃纤维、SiO2、活性碳、沸石等。沸石具有较好的阳离子交换性能和吸附能力，因此目前沸石负载纳米TiO2光催化剂的研究引起了人们的特别关注。为克服纳米TiO2悬浮法污水处理过程中的回收再利用难题，中科院和长春理工大学以SiO2修饰γ-Fe2O3作为纳米TiO2光触媒的磁载体，使磁载TiO2光触媒回收2率达99%。据2007年信息，中山大学化工学院已建成了TiO2中空微球制备规模生产线，制备规模达到20kg/d，制备成本低于8万元/吨，水处理规模达到6t/d。此外，采用纳米铁粉降解有机氯化物也具有良好效果。微米级铁粉价格低廉、易于获得，在国外这种技术在治理地下水污染方面得到了较大发展：R.W.Gillham等用220t的铁粉制成地下的可渗透反应格栅，用来处理一家半导体材料生产厂排出的含有氯乙烯(TCE)的废水。采用该方法就地处理，不需要将污水抽出进行专门处理，取得了很好的效果，节省了大量资金。在国内，四川江津增压器厂曾用零价铁法处理电镀废水，据称也达到了排放标准。目前已有学者正在研究利用超声波来促进纳米铁粉对含氯有机物的降解。【研究单位：南京工业大学】2.纳滤膜技术纳米过滤，是一种新型膜分离过程，介于反渗透与超滤之间。纳滤膜的孔径范围介于1～5nm，能有效截留多价阳离子和天然有机分子（分子量为200～1000）。纳滤的特点是：（1）在过滤分离过程中，它能截留小分子的有机物并可同时透析出盐，即集浓缩与透析为一体；（2）操作压力低，因为无机盐能通过纳滤膜而透析，使得纳滤的渗透压远比反渗透低。纳滤膜在水处理中的应用：（1）饮用水的处理——纳滤膜最大的应用领域之一是饮用水的软化。纳滤膜法软化水在美国已很普遍，已代替常规的石灰软化和离子交换过程。如美国Film-Tech公司开发的NF70膜，操作压力为0.5～0.7MPa，能脱除85%～95%的硬度以及70%的单价离子。（2）海水及苦咸水淡化——加利福尼亚大学LawrenceLivermore国家实验室开发了一种新型的碳纳米管，比反渗透法更有效，在与反渗透相同的压力和给定的能量下，纳米管能够过滤的水量比反渗透大100倍以上，可显著降低海水淡化费用。（3）受污染地下水的处理——地下水受污染后含有致癌性的有机卤化物，纳滤膜能有效地去除饮水中97%的有机卤，总有机碳含量可降低90%以上。研究表明，纳滤膜和砂滤相结合对废水进行二级处理非常有效。砂滤能减少易吸附和结垢在纳滤膜表面的有机物，而纳滤膜能降低盐分、硬度、重金属和其他污染物含量，降低色度，脱除大量的可溶性有机物，从而减少有机卤化物的生成。(4)工业废水的处理——从制革废水中回收铬盐、从半导体废水中分离铟离子、去除纺织和造纸废水的色度等。3.纳米吸附材料目前普遍认为，纳米粒子的吸附机理主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米材料的大比表面积，也是其具有超强吸附作用的重要原因。3文献指出，有一种新型的纳米净水剂，其吸附能力和絮凝能力是普通净水剂(三氯化铝)的10～20倍，能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来。然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，可有效地去除水中的铁锈、泥沙以及异味。再经过由带有纳米孔径的处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以完全去除水中的细菌、病毒，得到高质量的饮用纯净水。此外，国内有研究显示，多壁碳纳米管可用于吸附工业废水中的铅、铜、镉、铬。专利情况：在我国国家知识产权局授权的专利中，与纳米水处理技术相关的专利技术达254条（截止2009年2月20日），其中发明专利208条，实用新型专利48条。美国（英孚拉玛特公司）和日本（夏普株式会社）也在我国申报了多项纳米水处理技术专利。搜索到可用于电站锅炉水处理的纳米水处理技术专利有发明专利“高温高压纳米水处理器”，专利权人是广州格瑞凯迪电力热能设备有限公司，该专利技术采用了下面两项专利：发明专利“一种水处理纳米功能材料及其应用”，该纳米材料由HT200#生铁、含痕量核素（铀、钍）的矿石粉、含5%的钛或其氧化物的金属锌粉及RF稀土纳米材料组成。实用新型专利“锅炉除垢节能器”，据该专利说明书描述，该专利“可广泛用于低、中压蒸汽工业锅炉水处理系统和民用水处理系统。”其他不同研究方向的纳米水处理技术专利还有：“超声波催化降解有机污染物的方法”、“磁性纳米TiO2SiO2Fe3O4复合光催化剂净化废水方法及装置”、“纳米多微孔陶瓷复合膜水处理装置”、“纳米曝气管”、“铁的氧化物纳米材料、制备方法及其在水处理中的使用”、“一种水处理用纳米多微孔陶瓷复合膜的制备方法”、“碳纳米管离子交换树脂的制备方法”等等。国内开展纳米水处理技术研究，并取得专利技术的单位有：中科院化学研究所、深圳清华大学研究院、大连理工大学、上海大学、北京化工大学、四川立新瑞德环保科技发展有限责任公司、江苏瑞生科技发展有限公司、华东师范大学、中科院生态环境研究中心、中科院成都生物研究所、武汉科技大学、北京科技大学、广州格瑞凯迪电力热能设备有限公司等。