探析纳米材料应用在水处理中的研究进展

李旋

摘 要 随着社会科技的不断发展，环境保护问题成为时下备受关注的重点问题，纳米技术在日常生活和工业生产过程中的应用越来越多。本文讨论了碳纳米材料及其衍生物在水处理中的应用，以及纳米材料的研究方向和纳米技术的应用领域的未来发展。

关键词 纳米材料;水处理;应用;发展前景

引言

纳米技术在水资源领域的应用范围广泛，具有一定的发展空间。吸附、水质净化和光催化降解污染物的应用比常规水处理技术效果更好，纳米材料的制备，性能和应用研究取得了丰硕的成果，纳米技术必将成为21世纪一场新的技术革命。

1纳米材料的特性

（1）表面效应。纳米材料的表面效应能够同构纳米粒子的粒径缩短，媳妇在上面的原子数和总原子数的比例发生变化，产生的性能变化，可以应用在水处理中，增加水資源利用率。球形颗粒的表面与其直径的平方成正比，体积与直径的立方成正比，表面积（表面/体积）与直径成反比。

（2）体积效应。纳米材料之所以可以应用在各个领域的原因是，它们的体积远远小于其他材料，因此与之相比，纳米颗粒中包含的原子数要少地多。因此，它还确定了其理化性质不同与其他材料，常用的水处理材料的粒径很重要，因此其吸附、催化等效果与纳米材料完全不同。因此，纳米材料在上述方面的性能不能够用传统材料的性能来衡量，这些特殊现象以其独特的体积效应得以体现。

（3）尺寸效应。超细颗粒的尺寸等于或小于超导状态的特征物理尺寸，例如光波长，透射深度长时，将破坏晶界的边界条件。颗粒表面层附近的原子数量少，导致出现特殊的光学性能;特殊的热性能;特殊的磁性能;特殊的机械性能。超细颗粒的微小影响还表现在超导性，介电性能、声学性能和化学性能。

（4）量子尺寸效应。当颗粒的尺寸下降到一定值时，金属纳米附近的电子能级会从聚集变分散，这一过程就是量子尺寸效应。电子在纳米材料中离散的量子能级中的波动可以使纳米材料产生特定的性能，例如特定的催化作用，强的氧化性和还原性，光子能和超导体等。有些特性与原本的纳米性能有很大不同。

（5）量子隧道效应。纳米粒子的磁化过程会产生量子隧道，这种效应不受宏观系统的影响，并产生一定的性能变化，即所谓的纳米粒子的宏观量子隧道效应。量子尺寸效应和隧道效应可以在电子器件中进行广泛应用，或者它们将为现有微电子器件的未来小型化建立极限的促进作用。

2碳纳米材料

（1）碳纳米管。碳纳米管通常是由石墨片制成的管，该石墨片根据一定程度的螺旋缠绕在中心轴上。管壁上的碳原子组成序列为六边形，每个碳原子周围相邻三个碳原子，C—C通过杂化键sp2和sp3相连。碳纳米管通过不同的特性产生不同的吸附效果。例如：①碳纳米管的总表面积较大，因此具有较高的吸收能力;②表面电荷是可重塑的，可以在水中对不同的污染物特点进行化学反应[1]。

（2）碳纳米纤维。碳纳米纤维用于吸水的处理时需要进行活化处理，以获得改进的碳纳米纤维。当它们以原始状态交叉时，适合吸附更重要的有机污染物。相反，在表面处理之后，可以获得具有微孔（1～2nm）的碳纳米纤维，其适合于吸附小的无机污染物。碳纳米管还可以强烈吸附脂族烃，胺，酚，酮和其他有机物质，碳纳米材料还大大提高了对有机污染物的吸附亲和力。用硝酸，柠檬酸和高锰酸钾处理的碳纳米管比处理前的碳纳米管具有更强的吸附能力。

（3）石墨烯族。研究表明，石墨烯系列吸附剂可有效处理水中的有机，无机和生物污染物。石墨烯是由六元碳环组成的二维结构[2]。石墨烯光催化技术是一种绿色、生态和可持续发展的技术，无须添加化学试剂或生物菌株，无须任何供应装置，无能源消耗，无污染且维护成本低。将光催化石墨烯网放置在污水表面，可以在阳光下分解水体中的有毒有机物并逐步改善水环境。

3纳米材料在水处理中的应用

（1）纳米材料在无机废水处理中的应用。废水中含有许多有害物质，尤其是重金属。一方面，这些污染物可能会伤害人的身体机能。另一方面，它们也是重要的资源，如果丢失将导致资源损失。利用无机物质在纳米粒子表面的光化学活性，通过光催化激发纳米材料产生化学作用，从而减少了有毒的无机物质。纳米金属氧化物具有良好的生物相容性，可以用作固定微生物的载体[3]。吸附和富集水中的污染物，提高了生物吸附剂的稳定性和机械阻力，从而减少了水中的污染物的毒性。

（2）纳米材料在有机废水处理中的应用。BNNS具有很好的抗氧化性和疏水性，当用于有机污染物处理时，可以通过简单地处理方法（例如燃烧）将其回收和再利用。此外，MoS2纳米片不仅可以用作吸附剂，还可以将其用于光催化降解水中的有机污染物。研究人员将越来越多地研究这种环保且具有低成本高效益的水处理技术。在进行有机废水中氧化性纳米溶解的基础下，通过二氧化钛的催化作用，水中的部分杂质在光催化下降解。

（3）纳米材料在自来水净化中的应用。纳米二氧化钛除具有降解功能外，还可以进行自来水杀菌，因此可用于净化自来水。纳米银也具有很好的杀菌效果，在进行水处理时，对自来水中的细菌进行分解消灭，例如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，并且不会产生副作用。在进行自来水净化过程中，可以显著减少水中有机物的总量，可以消除某些杂质，并且可以显著降低某些物质的浓度，从而可以得到相对纯净的自来水。在净化过程中，还可以将自来水中的毒素杀死，从而确保水质符合引用标准。

4结束语

纳米材料具有许多传统技术所没有的技术优势，在水处理中的应用和发展中还有很大的空间。纳米技术的发展前景广阔，纳米材料制备的水处理技术满足了防止水污染和水资源循环利用的需求，更加关注纳米材料的实用性。纳米材料的大规模工业生产不是一件容易的事，需要在技术研究中付出更多的努力。

参考文献

[1] 黄蓓，刘秀伟，袁琳，等.磁性纳米材料在水处理中的应用研究进展[J].河南化工，2020，37（3）：1-5.

[2] 杜淼，张馨.二维纳米材料在水处理中的应用研究进展[J].无机盐工业，2020，52（1）：17-21.

[3] 郭倩，邱伊琴.纳米银在水处理方面的应用研究进展[J].合成材料老化与应用，2019，48（4）：125-129.