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微纳米材料及其特性

2021-08-28 557 上传者：管理员

摘要：纳米技术是具有深厚的理论研究价值和广阔应用前景的高科技。本文总结纳米技术的重要性和微纳米材料的特殊性能,分析近年来纳米技术和材料在水处理方面中的作用,比如催化微纳米材料和纳滤膜的应用和研究可用于有机废水的净化,因此微纳米材料正成为国内的研究热点,并在水处理方面具有广阔的应用前景。

关键词：
微纳米材料
水处理方面应用
纳滤膜
纳米技术
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我国重视应用水处理方面技术，已经使用了物理、化学、生物以及物理化学方法。从长远趋势来看，水处理方面向资源处理型的转变是必然趋势。废水通常包含有毒有害物质，传统的水处理方法有一定的效果，但是存在效率低、成本高以及存在二次污染问题。微纳米材料在水处理方面应用是一种新型技术，具有处理效率高、成本较低以及处理效果好的优势。由于以上优势，近年来，世界各国都加大了微纳米材料在水处理方面的研究与应用。

1、纳米技术

纳米技术指的是采用扫描探针显微镜（STM）针对原子和分子结构的特征，并根据原子与分子间相互作用原理，直接根据人的实际需求在纳米级尺度进行研究的一种新的跨学科技术，其可以操纵物质表面上的分子、原子甚至电子，以生产特定的产品。

2、微纳米材料及其特性

在纳米技术中，最为重要的是微纳米材料，可以说纳米技术研究的目的就是制造出可用的微纳米材料。微纳米材料由纳米颗粒组成，并且晶体尺寸是纳米级的多晶材料，也就是说，三维空间的至少一维在纳米级上。通常指的是尺寸范围为1到100微米的颗粒，位于原子簇和宏观物体之间的过渡区。其结构既不同于单个原子，也与宏观块状材料有所区别。通常分为：纳米颗粒、纳米膜（多层膜和颗粒膜）和纳米固体。由于微纳米材料的尺寸极小，因此其物理性能与传统材料的宏观物理特性非常不同，受到原子间和分子间作用力的影响较大，具有微观物理的特征。比如在磁、电、光、热等方面都体现出很多新特性，也正是由于这些新特性，为微纳米材料的广泛应用提供了基础。

3、在水处理中应用的纳米材料类型

3.1光催化微纳米材料

目前，在我国普遍采用物理吸附、混凝等非破坏性水处理方面技术处理废水中的有机污染物。这种处理技术仅将有机污染物从原本的液相转移到固相，并未从根本上分解污染物，非常容易造成二次污染问题。虽然化学和生化技术可以对油污污染物进行破坏性处理，但是其效率低且效果不佳，而废水中的有毒有机物质含量远远超过相关排放标准。光催化微纳米材料可以有效提高化学、生化等及时的处理效率，迅速将有机污染物转化为分解为水和二氧化碳等无害物质。常见的光催化微纳米材料主要是N型半导体材料，最为典型的代表是Ti O2，其具有高活性和良好的化学稳定性，应用最为广泛。可以说纳米Ti O2的发现为工业废水的完全催化分解提供了一种的方法。例如，1976年，科学家发现，纳米Ti O2在紫外线辐射的影响下，对于含氯有机化合物有非常好的脱氯效果，根据这一发现中国科学院使用纳米Ti O2和12烷基苯磺酸钠水溶液进行试验，结果在阳光下暴露12小时后，十二烷基苯磺酸钠几乎完全分解，且没有二次污染。

另外，在处理无机废水时，由于无机物在纳米粒子的表面具有光化学活性，因此可以吸附汞、银、铂和其他具有高氧化态的贵金属离子，并利用光生电子将其还原成金属晶体，不仅可以消除废水的毒性，而且还可以从工业废水中回收贵金属。

3.2纳滤膜技术

纳滤膜是一种纳米级的膜结构，其主要利用了纳滤技术的特性，该技术是新型压力膜分离技术，其过滤尺寸在反渗透（RO）和超滤（UF）之间，非常适合分离相对分子量在200至1000范围内的分子溶解组分。早在1993年，法国就在巴黎郊区建立了纳滤能力为2800立方米/天的净水纳滤装置，以处理的地表水用于生产饮用水。该过滤系统可有效去除农药和THAS前体。相比于超滤技术和防渗透技术，纳滤技术可以分离大多数有机小分子，而不影响无机盐的通过。而超滤技术的去除效率低，反渗透技术的去除效率虽然高但会同时去除大量无机盐。因此，纳滤膜的应用克服上述两种技术的缺点。目前纳滤膜技术主要在以下情况中应用：（1）无需截留单价无机盐时；（2）分离不同价态的离子时；（3）分离高分子量有机物时。目前，纳滤膜规模最大的应用是在软化水领域中，因此也有人将其成为水软化膜。纳滤膜在工作压力为0.55-0.7MPa时，可去除85%-95%的硬度和70%的单价离子。纳滤技术的主要优点是处理效果好，没有二次污染物，且成本低无需进行再生，可以完全滤除固体悬浮物与高分子有机物，且空间要求较低，因此纳滤膜技术在水处理方面的应用非常广泛，且具有较好的效果。

3.3天然微纳米材料膨润土

膨润土也被称为蒙脱石，分子尺寸大约在101至104微米之间，相当于纳米级，自然形成于亿万年前。膨润土具有很多微纳米材料的特性，其对于有机物有较好的吸附作用，因此可以用于澄清浑浊水。而由于其尺寸接近于纳米级，因此其间隙较小，可以用作密封剂密封放射性废物。此外，也可以用作废水排斥剂、水处理剂、清洁剂等，但在中国的研究和应用较少。膨润土用于处理废水废物去除率达99.5%。此外，膨润土还用于水软化剂和澄清剂中。例如，将膨润土洒在河流上游可以有效清除流域的污染物，并使其沉降。

3.4纳米级零价铁

纳米级零价铁具有较高的化学活性，可以用于置换水污染中的重金属，比如含铬废水、染料废水等，尤其是在多氯联苯或六价铬的废水方面效果更好，主要起到回收、微电解、凝结和吸附等效果，也可用于处理有机废水和含放射性铀的废水，不仅可以防止污染，而且可以缩短处理时间。

4、提高微纳米材料水处理效果的方法

虽然很多微纳米材料具有较好的光催化活性，比如Ti O2、Cd S、Zn O等，但由于光量子产率低和太阳能使用量低的缺点，这些光催化材料尚未在水处理中广泛使用。因此，对微纳米材料表面结构进行研究，可以有效提高其光催化活性。

4.1半导体耦合

光量子的产率与微纳米材料的光催化活性直接相关，而光量子主要是由于电子-空穴分离产生的。通过，带隙不同的半导体相互缠结，可以有效促进电子-空穴分离，促进光量子产生，进而提高光量子的产率。而半导体耦合就是指将带隙不同的两种半导体进行耦合，产生相互缠绕的状态。研究表明，半导体耦合的光量子产率显著高于单一半导体，且稳定性与催化活性较高。

4.2贵金属沉积

将贵金属引入半导体材料，可与有效降低电子跃迁的能量需求。因此电子在紫外线的照射下就可以价带跃迁到导带，造成电子在半导体中聚集与贵金属上，可以有效提高电子-空穴分离的速度，促进电子-空穴分离，促进光量子产生，进而提高光量子的产率，提高微纳米材料的催化活性。相关研究还表明，使用贵金属沉积技术后在沉积过程中其载流子会形成肖特基势垒，以及氧空位和羟基量复合纳米颗粒也显著提高，以上因素都有助于电子-空穴的有效分离，促进光量子产生，进而提高光量子的产率，提高微纳米材料的催化活性。

4.3离子掺杂

离子掺杂指的是在半导体中掺杂不同的离子，根据掺杂离子类型的不同，主要分为金属离子掺杂、非金属离子查找以及金属/非金属联合掺杂等。顾名思义，金属离子掺杂就是指的在半导体中掺杂金属离子，其是有效的电子受体。用不同价态的金属离子掺杂半导体后，可以快速的捕获导带中的电子，有助于电子-空穴的有效分离，促进光量子产生，进而提高光量子的产率，提高微纳米材料的催化活性。非金属离子掺杂指的是在半导体中掺杂非金属离子，以改性半导体材料。用于非金属离子掺杂的半导体材料主要是Ti O2。现阶段研究较为成熟的是单金属离子掺杂，研究的主要方向是多金属联合掺杂与金属/非金属联合掺杂。

5、发展前景

在全球工业快速发展的背景下，世界环境污染的压力越来越大，尤其是水环境污染更为严重，因此水污染处理越来越受到重视。对微纳米材料的研究表明，微纳米材料在水处理方面有非常多的优势，尤其是在有机物污染方面，具有巨大的效用，而有机物污染正是现阶段水污染的重点与难点。传统的物理法、化学法以及生化法对有机物污染的处理效率非常低，且易产生二次污染。而对微纳米材料在在水处理方面的研究表明，在紫外光的照射下可以极大提高微纳米材料的催化活性，提高微纳米材料分解有机物的效率。分解后的有机物其主要的产物为CO2、H2O以及其他的无机离子。因此，微纳米材料在水处理中应用优势是无与伦比的，尤其是纳米Ti O2水处理研究较为成熟，成为当前水处理领域的研究热点。而在近年来，高效光催化剂、负载纳米颗粒和掺杂金属、光电复合催化剂等技术的研究与开发，使纳米Ti O2水处理的光催化氧化成为最有前景的技术之一。

可以预见，随着微纳米材料在水处理方面研究的不断深入，将极大提高水处理的效率，并在全球环境问题解决中发挥重要作用，促进生态平衡并确保可持续发展。

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文章来源：刘盛锋.微纳米材料在水处理方面的应用及前景[J].轻工科技,2021,37(09):86-87.