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：98張洋(作者單位：廣東工業(yè)大學(xué)基建處)

[提要]本文介紹納米技術(shù)在水處理中的作用，介紹納米TiO光催化氧化在污水處理方面的研究進(jìn)展，說明納米膜技術(shù)在處理廢水中的重要意義，指出納米技術(shù)對水處理研究的推動及其發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]納米技術(shù)水處理TiO2光催化氧化納米膜技術(shù)

一、納米技術(shù)及其效應(yīng)

納米技術(shù)是指在1—100尺度上研究和應(yīng)用原子、分子現(xiàn)象，由此發(fā)展起來的

多學(xué)科、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新的科學(xué)技術(shù)。它是現(xiàn)代物理(介觀物

理、量子力學(xué)、混沌物理和分子生物學(xué)等)和先進(jìn)工程技術(shù)(計算機(jī)、微電子和

掃描隧道顯微鏡等技術(shù))結(jié)合的產(chǎn)物。納米技術(shù)包括納米結(jié)構(gòu)和納米材料。納米結(jié)構(gòu)是指在納米尺寸上構(gòu)架功能性結(jié)構(gòu)。納米材料指的是構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)單

元尺寸是納米尺寸，并且用的材料性質(zhì)是這個尺度上物質(zhì)特有的非常規(guī)性質(zhì)。納米顆粒由于具有極小的尺寸，產(chǎn)生了常規(guī)顆粒的大塊材料所不具備的新效應(yīng)。

1.小尺寸效應(yīng)(又稱體積效應(yīng))。當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長或超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，其周期性的邊界條件將破壞，光、聲、電、磁、熱力學(xué)等特性會表現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。

2．量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子的尺寸小到某一值時，金屬的費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變成離散，對于納米半導(dǎo)體材料存在的不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)分子軌道的能級和能隙變寬，此現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。

3．宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等也具有貫穿宏觀系統(tǒng)勢壘而產(chǎn)生變化的隧道效應(yīng)——宏觀量子隧道效應(yīng)。

4．表面效應(yīng)。表面效應(yīng)是納米粒子及固體材料中重要的效應(yīng)之一，是指表面原子數(shù)隨納米結(jié)構(gòu)尺寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。表1是顆粒粒徑、原子數(shù)及表面原子數(shù)之間的關(guān)系。表面原子數(shù)的增加、原子配位的不足，必然導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)存在許多表面缺陷，使表面具有很高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。納米顆粒的粒徑極小，具有巨大的比表面積的表面自由能。

二、納米TiO2氧化技術(shù)研究情況

納米TiO2氧化作用原理是，在紫外光照射下，納米TiO2表面會產(chǎn)生氧化能

力極強(qiáng)的羥基自由基(·OH)，使水中的有機(jī)污染物氧化降解為無害的CO2和水。

納米TiO2光催化氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：降解速度快，一般只需幾十分鐘到幾小時即

可取得良好的廢水處理效果；降解無選擇性，尤其適合于氯代有機(jī)物、多環(huán)芳烴等；氧化反應(yīng)條件溫和，投資少，能耗低，用紫外光照射或暴露在陽光下即可發(fā)生光催化氧化反應(yīng)：無二次污染，有機(jī)物徹底被氧化降解為CO2和HO；應(yīng)用范圍廣，幾乎所有的污水都可以采用。現(xiàn)有國內(nèi)外的幾種試驗研究情況如下：

1．有機(jī)磷農(nóng)藥廢水處理。有機(jī)磷農(nóng)藥占我國農(nóng)藥產(chǎn)量的80％以上，其生產(chǎn)過程中有大量的有毒廢水產(chǎn)生。據(jù)報道，采用納米TiO2·SiO2負(fù)載型復(fù)合光催化

劑，利用其光催化活性及高效吸附性，能使有機(jī)磷農(nóng)藥在其表面迅速富集，隨光照時間的延長，有機(jī)磷農(nóng)藥的光解率逐漸升高，光照80min，試驗用敵百蟲已完全降解。

2．毛紡染廢水處理。把表面涂覆有納米TiO2膜的玻璃填料填充于玻璃反應(yīng)器內(nèi)，通過潛水泵使廢水在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)進(jìn)行光催化氧化處理。由于納米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中的有機(jī)物接觸更為充分，可將它們最大限度地吸附在其表面，并迅速將有機(jī)物分解成CO2和H2O，處理效果優(yōu)于生物處理和懸浮光催

化氧化處理，COD去除率和脫色率均較高。

3．氯代有機(jī)物廢水處理。在模擬廢水處理的試驗中，以16mg／L3-氯一酚的水溶液為模擬廢水，分別采用納米TiO2光催化劑與臭氧聯(lián)合、單獨(dú)用光催化劑納米TiO2和單獨(dú)用納米琴價鐵三種方法對其進(jìn)行處理。用內(nèi)表面涂覆納米TiO2光催

化劑的陶瓷圓管處理5．5mg／L苯酚和三氯乙烯水溶液的試驗表明，苯酚在1．5h后完全分解，三氯乙烯也在2h內(nèi)完全分解。

4．含油廢水處理。含油廢水中所含的脂肪烴、多環(huán)芳烴、有機(jī)酸類、酚類等有機(jī)物很難降解，使用納米TiO2，利用其光催化降解功能，可以迅速地降解這些有機(jī)物。

上述研究情況表明，納米TiO2光催化氧化技術(shù)在徹底降解水中的有機(jī)污染物和可以利用太陽能等方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)水中的有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法難以處理時，具有更明顯的優(yōu)勢，是其他傳統(tǒng)方法無法比擬的。目

前，世界有關(guān)國家已嘗試把納米TiO2光催化氧化技術(shù)用于水處理的實驗室研究，如何盡快實現(xiàn)工程化，有待各相關(guān)領(lǐng)域的研究人員進(jìn)一步努力。

三、納米膜技術(shù)及其試驗應(yīng)用

納米膜技術(shù)是一種膜分離技術(shù)。膜孔徑處于納米級，適宜于分離分子量在

200-1000，分子尺寸約為1的溶解組分的膜工藝被稱為納濾(NF)。NF膜分離需要的跨膜壓差一般為0．5-2．0MPa，比用反滲透膜達(dá)到同樣的滲透能量所必需施

加的壓差低0．5-3Mpa。NF分離是一種綠色水處理技術(shù)，特點(diǎn)是：能截留分子量

大于10O的有機(jī)物以及多價離子，允許小分子有機(jī)物和單價離子透過：可在高溫、酸、堿等苛刻條件下運(yùn)行，耐污染：運(yùn)行壓力低，膜通量高，裝置運(yùn)行費(fèi)用低；可以和其他污水處理過程相結(jié)合以進(jìn)一步降低費(fèi)用和提高處理效果。納米膜技術(shù)在水處理試驗研究成功應(yīng)用于制糖、制漿造紙、電鍍、機(jī)械加工以及化工反應(yīng)催化劑的回收等行業(yè)的廢水處理。

1．日用化工廢水處理。用NF膜處理日用化工廢水的應(yīng)用研究表明，NF膜耐

酸堿，有優(yōu)良的截留率，對重金屬有很好的去除率，不存在膜污染問題。據(jù)計，由于NF膜的運(yùn)行費(fèi)用低于反滲透技術(shù)，對有機(jī)小分子有良好的脫除率，可能會覆蓋9O％以上的日用化工廢水處理。

2．殺蟲劑廢水處理。一般的水處理方法不能除去污染水中的低分子有機(jī)農(nóng)藥。通過研究NF膜對不含酚殺蟲劑的截留性能，發(fā)現(xiàn)除了二氯化物以外，其他殺蟲劑的截留率均高于96．7％，所有殺蟲劑在NF膜上的吸附能力均受其疏水性的

影響。采用NF處理含有酚類殺蟲劑的廢水也十分有效。