纳米催化剂在水处理中的应用

Posted 2023-01-14 纳米技术

篇首语：缥帙各舒散，前后互相逾。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了纳米催化剂在水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

摘要：作为光催化剂的纳米Ti02因其稳定、廉价、无毒、高效而倍受人们的青睐，利用其光催化作用处理废水是一种很有效的方法。简要介绍了纳米技术在国内外的发展情况和纳米Ti02在水处理中的应用。

关键词：纳米技术,纳米材料,纳米光催化剂,Ti02,水处理

纳米是一个长度单位，1纳米为10－9m。纳米技术是20世纪90年代出现的一门新兴技术。它是在0．10至100纳米尺度的空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。诺贝尔奖获得者罗雷尔曾说过：70年重视微米研究的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术和纳米材料的国家很可能成为下一世纪的先进国家。

1纳米技术和纳米材料在世界的发展情况

鉴于纳米技术和纳米材料在未来高新技术发展中的重要地位及产业化的美好前景，目前世界各国特别是发达国家对发展纳米技术和纳米材料非常重视，并从战略高度部署纳米技术研究，目的是提高本国在国际上的竞争地位。

美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标，在能源项目列出的8项优先研究项目中，其中6项是关于纳米材料的；日本近7年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如Ogala计划、ERATO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15a发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1．2亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。

当前世界各国制定纳米技术和纳米材料的战略是：以未来的经济振兴和国家的实际需求为目标，牵引纳米材料的基础研究和应用开发研究；组织多学科的科技人员交叉创举，重视基础和应用研究的衔接，重视技术集成；重视纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米技术和纳米材料在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式发展。

2纳米技术和纳米材料在中国的发展情况

我国纳米技术和纳米材料始于80年代末。“八五”期间，纳米材料科学列入国家攀登项目，1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，并在以下几个方面取得了重大成果：①大面积定向碳管阵列合成；②超长纳米碳管制备；③氮化镓纳米棒制备；④硅衬底上碳纳米管阵列研制成功；⑤准一维纳米丝纳米电缆制成；⑥苯热法制备纳米氮化镓微晶。我国纳米科技水平与美、日、英、德等国家相比差距较大，超细颗粒技术居世界第4，纳米材料技术居世界第7。目前纳米复合、纤维、塑料、橡胶等材料的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用及纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。

目前我国有60多个研究小组，600多人从事纳米技术和纳米材料的基础和应用研究，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。

3纳米催化剂在水处理中的应用

3．1纳米材料作催化剂的优点及光催化原理

纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒的内部不同，表面原子配位不全导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。科研人员预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。

光催化材料是具有环境净化和自洁功能的半导体材料的总称。半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，羟基变成自由基，成为强氧化剂将酯类变化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了对有机物的降解。具有这种光催化效应的半导体的能隙既不能太宽，也不能太窄，一般为1．9～3．1eV。

3．2Ti02作光催化剂的优缺点和纳米Ti02的优势

Ti02是公认的最有效光催化剂，它的显著优点是：能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分；氧化还原性较强；在较大ｐH值范围内的稳定性强；无毒。但由于Ti02的禁带宽度为3．2eV，只能吸收波长小于387Nm的紫外辐射，不能充分利用太阳能。另外，Ti02的光量子效率也有待进一步提高。

研究发现纳米级Ti02材料的催化效率远远高于一般的半导体，原因在于：①由于量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力；②由于纳米半导体粒子的粒径小，比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内迁移到表面，有利于得或失电子，促进氧化和还原反应。科研人员将醇盐法合成的掺杂Fe2O3的Ti02光催化剂用于处理含ＳO3和Cr2O72－的废水，发现纳米Ti02的催化活性比普通Ti02粉末（约为10μm）高得多。纳米Ti02光催化应用技术工艺简单、成本低廉，利用自然光即可催化分解细菌和污染物，且能长期有益于生态自然环境，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。

3．3纳米Ti02在水处理中的应用

纳米科技的发展为人类治理环境开辟了一条行之有效的新途径。

（1）有机污染物的处理。纳米Ti02利用自身受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，能降解大多数有机物，最终生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。参考近几年来发表的文献，将在光催化机理方面作为目标化合物重点研究的物质主要分为脂肪酸、芳香酸和酚类，按被降解物的用途不同可分为燃料、除草剂、杀表面活性剂。这些物质经过纳米Ti02的光催化作用后，都可以转化为CO2和H2O，完成氧化降解。将纳米光催化材料作成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，便可利用太阳光进行有机物的降解。美国、日本就是利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行处理。

在光催化氧化含多个可氧化部位的化合物时，底物具有优先氧化选择性，例如：在光催化降解2－甲氧基乙醇、乙氧2－基甲醇.html"target=_blank>甲醇时，他们都含有两个可氧化的官能团（－OH－和－O－），反应明显倾向于－OH－处而非－O－处被氧化。

（2）无机污染物的处理。除有机物外，许多无机物在纳米表面也具有光化学活性，例如对Cr2O72－离子水溶液的处理，利用Ti02悬浮粉末经光照将Cr2O72－还原为Cr3＋；对含氰废水的处理，以Ti02光催化剂将CN－氧化为OCN－，再进一步反应生成CO2、和N－NO3；用Ti02光催化法可从Au（CN）4中还原Au，同时氧化CN－为NH3和CO2，该法可用于电镀工业废水的处理，不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染，是一种有实用价值的处理方法。

大量试验结果表明，纳米Ti02光催化反应对于工业废水具有很强的处理能力。但值得一提的是，由于光催化反应是基于体系对光能量的吸收，因此要求被处理体系具有良好的透光性。对于高浓度的工业废水，若杂质多、浊度高、透光性差，反应则难以进行。因此该方法在实际废水处理中，适用于后期的深度处理。

（3）微生物的灭杀。纳米Ti02微粒本身对微生物细胞无毒性，只是由于其形成较大的聚集体时才对微生物构成危害。例如，0．03～10μm的Ti02聚集体由于沉积和包覆在这些微生物细胞表面，而将其杀死。

纳米Ti02光催化杀灭微生物细胞有直接和间接反应两种不同的机理。光激发Ti02和细胞间的直接反应是光生电子和光生空穴直接和细胞壁、细胞膜或细胞的组成成分反应，导致功能单元失活而致细胞死亡。在悬浮液体中，Ti02颗粒或吸附于微生物细胞的表面，或被微生物细胞吞噬而在细胞内聚集。被细胞吞噬的Ti02颗粒，其产生的光生空穴和活性氧类直接与细胞内的组成成分发生生化反应，因而更加有效。由于紫外光激发Ti02颗粒产生的空穴具有非常强的氧化能力，而且生成的活性氧类具有非常强的反应活性。因而无论悬浮液体系还是在光阳极表面，光激发Ti02颗粒均能有效且彻底地杀灭乳酸杆菌、面包酵母菌、大肠杆菌以及海拉细胞、细胞等人体恶性肿瘤细胞。此外，光激发Ti02具有强杀菌性能和显著的抗瘤性，有望应用于室内消毒杀菌、水处理河水污染综合治理以及癌症的光动力学疗法。

目前，Ti02光催化的主要应用领域在于降解污染物。近年来，不断有研究根据光催化原理对水体中的污染程度进行评估，或利用光催化作为分析检测的前处理手段对原有分析方法进行改进，Ti02光催化在建立新分析测试方法中的应用研究正在蓬勃发展。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

参考文献
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2.张池明．超微粒子的化学特性．化学通报，1993－08－20
3.程萍，顾明元，等．Ti02光催化剂可见光化研究进展．化学进展报，2005－01
4.吴烈善．纳米材料及其应用前景．矿产与地质报，2001－06－02