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（天津机科环保科技有限公司 天津 300192）
摘要：随着水资源的日益紧缺和人们环境保护意识的提高，传统的水处理技术已经逐渐不能满足社会发展的需求。近年来，纳米技术和纳米材料的迅速发展为水处理技术的革新提供了良机，引起了众多环境科研工作者的广泛研究。文章综述了近年来纳米材料在污染物吸附、膜分离等水处理领域的应用研究进展，系统阐述了各种纳米技术的优势、作用机理、影响因素、对水的处理效果等。
关键词：纳米材料；吸附；膜分离；光催化氧化
1纳米材料的特性
1.1表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
1.2体积效应
纳米材料之所以在各领域中如此受青睐，原因之一就在于其体积相比其他材料要小得多，因此纳米粒子中所含有的原子数相比之下也要少很多。所以，这也决定了其许多物理、化学方面的性质与传统的材料之间存在巨大的差异。传统材料的粒子直径大，所以其吸附、催化、烧结等与界面状态相关的现象就与纳米材料截然不同。所以，纳米粒子在上述方面所表现出来的性质就不能以传统材料的性质来解释，这些特殊的现象反映在纳米材料上，则表现为其独有的体积效应。
1.3尺寸效应
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质：（1）特殊的光学性质；（2）特殊的热学性质；（3）特殊的磁学性质；（4）特殊的力学性质。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
1.4量子尺寸效应
该效应指微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如特异性催化，强氧化性和还原性。
1.5量子隧道效应
微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。
2纳米材料的吸附作用
在水处理领域，吸附法主要用于脱除水中的微量污染物。在处理流程中，常常作为膜分离、离子交换等工艺的预处理，以去除有机物、重金属、胶体、余氯等，也可以作为深度处理，保证出水质量。
2.1碳纳米吸附剂
碳材料通常具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，其被广泛应用于污染物吸附方面的研究工作。目前常用的碳吸附材料包括活性炭、木炭等。碳纳米管是一种新型的纳米材料，随着其制备技术的逐步完善，其在水处理领域应用的研究也不断深入，可以作为吸附剂去除有机物、重金属等。
2.2金属纳米吸附剂
氧化铁、二氧化钛、氧化铝等金属氧化物是低成本、可有效吸附重金属和放射性元素的吸附剂。吸附作用主要由溶解的金属与金属氧化物中的氧之间的络合作用来控制。该过程的完成通过两步来实现：首先是金属离子被快速吸附到表面；之后的决速步是沿着微孔壁扩散。纳米级的金属氧化物具有更高的吸附性能，缘于其具有更大的表面积，更短的扩散距离及更多数量的表面作用位点。另外，磁性纳米材料基于其特有的磁响应性，金属离子吸附剂时可以高效回收、使用方便、脱附简单。
3膜分离
膜分离是指以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加推动力，使原料中的某些组分选择性的优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、纯化的目的。该技术除大规模用于海水淡化、苦咸水淡化、纯水生产外，在城市污水处理、工业废水处理与回用等领域已得到广泛推广和应用。向膜体系中引入功能性的纳米材料，能够很大程度提升膜的渗透性、抗污染性、力学稳定性和热稳定性。
3.1纳米纤维膜
纳米纤维膜指由纳米纤维组成的具有连续多孔结构的薄膜，这种膜通常由具有一定排列顺序或无序的纳米纤维沉积而成。一般可以通过电纺丝、自组装、模板合成等方法制备。其中，电纺丝是一种可使用多种材料（例如聚合物，陶瓷，甚至金属）制备纳米纤维膜的简单、有效、低成本的方法，也是唯一一种实现工业化的制备方法。通过电纺丝得到的纳米纤维膜具有高的比表面积和孔隙率，其直径、形貌、组成、空间排列都能进行较好的控制。
3.2纳米复合膜
通过向聚合物膜/无机膜中掺杂纳米材料或者对其进行表面改性，使膜兼具有纳米材料的多种功能，是目前膜材料技术研究的热点。通常采用的纳米材料包括疏水的金属纳米粒子（如Al2O3、TiO2和沸石），抗菌纳米材料（如纳米银和碳纳米管）和光催化纳米材料等。
4纳米材料在水处理中的应用
4.1纳米材料在无机废水处理中的应用
废水中的有害物质很多，尤其是重金属，一方面它对人体能够造成巨大的伤害，而另一方面它也是一种重要的资源，如果流失掉，就会造成资源的流失。其原理如下：具有毒性的无机物，无论是在高氧化状态下还是在低氧化状态下，都能被还原。而还原效果是在电子和空穴的作用下达到的，这利用了无机物在纳米粒子表面的光化学活性，通过光催化作用来激发纳米材料，从而产生电子和空穴，使有毒无机物被还原。纳米二氧化钛能够吸附高氧化状态下的重金属离子，包括汞、铂等，然后在光生电子的作用下还原这些离子，使其变为细小的金属晶体。这些细小的金属晶体能够沉淀在催化剂的表面上，從而达到了消除污水毒性的目的，同時，又减少了贵、重金属的流失，将其从废水中回收。
4.2纳米材料在有机废水处理中的应用
有机废水的处理包括以下四个方面：第一，对农药废水的处理，主要是处理其中的含磷和含硫有机物，在处理过程中需要利用到纳米二氧化钛的作用，通过紫外线对其悬浊液的照射来将含磷和含硫的有机物无机化。第二，对化工废水的处理，同样需要用到二氧化钛，利用其对氧化水中的苯类、酚类等有机污染物的光催化作用，使这些污染物被降解，从而达到消除有机物毒性的效果。第三，对染料废水的处理，这主要是针对生产染料的工厂，排放的废水中残留着染料分子，这些废水大多含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质，造成严重的环境污染。所以，在溶解氧的前提下，将纳米二氧化钛作为催化剂，水溶性偶氮就会在光催化的作用下被降解。第四，对造纸废水的处理，其原理与染料废水的处理相似，都是通过二氧化钛的光催化作用使酸碱性的废水被降解。
4.3纳米材料在自来水净化处理中的应用
纳米二氧化钛除了其降解功能外，还具有杀菌的能力，因此，它可以被用来对自来水做净化处理。在对饮用水进行净化时，水中的有机物总量能够减少许多，有的种类能够被完全去除，而有的种类其浓度能够被大大的降低，从而使自来水得到净化。在净化过程中，还能够对自来水杀菌，从而使水的质量得到保障。
结语
综上所述，纳米材料具有其独有的特性，包括表面效应、体积效应、尺寸效应等。正是因为纳米材料的这些特性，使其在水处理工业中能发挥出其功效，使各种污水中的有害物质被消除，从而实现对水的净化作用。
参考文献：
[1]付丹.纳米材料性能提高及其在水处理方面的应用[J].四川化工，2014，06：53-55.
[2]梁敏.纳米材料的特性及其在水处理工业中的应用[J].化工时刊，2015，07：37-39.
摘要：随着水资源的日益紧缺和人们环境保护意识的提高，传统的水处理技术已经逐渐不能满足社会发展的需求。近年来，纳米技术和纳米材料的迅速发展为水处理技术的革新提供了良机，引起了众多环境科研工作者的广泛研究。文章综述了近年来纳米材料在污染物吸附、膜分离等水处理领域的应用研究进展，系统阐述了各种纳米技术的优势、作用机理、影响因素、对水的处理效果等。
关键词：纳米材料；吸附；膜分离；光催化氧化
1纳米材料的特性
1.1表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著地增加。例如粒径为10nm时，表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
1.2体积效应
纳米材料之所以在各领域中如此受青睐，原因之一就在于其体积相比其他材料要小得多，因此纳米粒子中所含有的原子数相比之下也要少很多。所以，这也决定了其许多物理、化学方面的性质与传统的材料之间存在巨大的差异。传统材料的粒子直径大，所以其吸附、催化、烧结等与界面状态相关的现象就与纳米材料截然不同。所以，纳米粒子在上述方面所表现出来的性质就不能以传统材料的性质来解释，这些特殊的现象反映在纳米材料上，则表现为其独有的体积效应。
1.3尺寸效应
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质：（1）特殊的光学性质；（2）特殊的热学性质；（3）特殊的磁学性质；（4）特殊的力学性质。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
1.4量子尺寸效应
该效应指微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如特异性催化，强氧化性和还原性。
1.5量子隧道效应
微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。
2纳米材料的吸附作用
在水处理领域，吸附法主要用于脱除水中的微量污染物。在处理流程中，常常作为膜分离、离子交换等工艺的预处理，以去除有机物、重金属、胶体、余氯等，也可以作为深度处理，保证出水质量。
2.1碳纳米吸附剂
碳材料通常具有较大的比表面积和发达的孔隙结构，其被广泛应用于污染物吸附方面的研究工作。目前常用的碳吸附材料包括活性炭、木炭等。碳纳米管是一种新型的纳米材料，随着其制备技术的逐步完善，其在水处理领域应用的研究也不断深入，可以作为吸附剂去除有机物、重金属等。
2.2金属纳米吸附剂
氧化铁、二氧化钛、氧化铝等金属氧化物是低成本、可有效吸附重金属和放射性元素的吸附剂。吸附作用主要由溶解的金属与金属氧化物中的氧之间的络合作用来控制。该过程的完成通过两步来实现：首先是金属离子被快速吸附到表面；之后的决速步是沿着微孔壁扩散。纳米级的金属氧化物具有更高的吸附性能，缘于其具有更大的表面积，更短的扩散距离及更多数量的表面作用位点。另外，磁性纳米材料基于其特有的磁响应性，金属离子吸附剂时可以高效回收、使用方便、脱附简单。
3膜分离
膜分离是指以具有选择透过功能的薄膜为分离介质，通过在膜两侧施加推动力，使原料中的某些组分选择性的优先透过膜，从而达到混合物分离和产物提取、纯化的目的。该技术除大规模用于海水淡化、苦咸水淡化、纯水生产外，在城市污水处理、工业废水处理与回用等领域已得到广泛推广和应用。向膜体系中引入功能性的纳米材料，能够很大程度提升膜的渗透性、抗污染性、力学稳定性和热稳定性。
3.1纳米纤维膜
纳米纤维膜指由纳米纤维组成的具有连续多孔结构的薄膜，这种膜通常由具有一定排列顺序或无序的纳米纤维沉积而成。一般可以通过电纺丝、自组装、模板合成等方法制备。其中，电纺丝是一种可使用多种材料（例如聚合物，陶瓷，甚至金属）制备纳米纤维膜的简单、有效、低成本的方法，也是唯一一种实现工业化的制备方法。通过电纺丝得到的纳米纤维膜具有高的比表面积和孔隙率，其直径、形貌、组成、空间排列都能进行较好的控制。
3.2纳米复合膜
通过向聚合物膜/无机膜中掺杂纳米材料或者对其进行表面改性，使膜兼具有纳米材料的多种功能，是目前膜材料技术研究的热点。通常采用的纳米材料包括疏水的金属纳米粒子（如Al2O3、TiO2和沸石），抗菌纳米材料（如纳米银和碳纳米管）和光催化纳米材料等。
4纳米材料在水处理中的应用
4.1纳米材料在无机废水处理中的应用
废水中的有害物质很多，尤其是重金属，一方面它对人体能够造成巨大的伤害，而另一方面它也是一种重要的资源，如果流失掉，就会造成资源的流失。其原理如下：具有毒性的无机物，无论是在高氧化状态下还是在低氧化状态下，都能被还原。而还原效果是在电子和空穴的作用下达到的，这利用了无机物在纳米粒子表面的光化学活性，通过光催化作用来激发纳米材料，从而产生电子和空穴，使有毒无机物被还原。纳米二氧化钛能够吸附高氧化状态下的重金属离子，包括汞、铂等，然后在光生电子的作用下还原这些离子，使其变为细小的金属晶体。这些细小的金属晶体能够沉淀在催化剂的表面上，從而达到了消除污水毒性的目的，同時，又减少了贵、重金属的流失，将其从废水中回收。
4.2纳米材料在有机废水处理中的应用
有机废水的处理包括以下四个方面：第一，对农药废水的处理，主要是处理其中的含磷和含硫有机物，在处理过程中需要利用到纳米二氧化钛的作用，通过紫外线对其悬浊液的照射来将含磷和含硫的有机物无机化。第二，对化工废水的处理，同样需要用到二氧化钛，利用其对氧化水中的苯类、酚类等有机污染物的光催化作用，使这些污染物被降解，从而达到消除有机物毒性的效果。第三，对染料废水的处理，这主要是针对生产染料的工厂，排放的废水中残留着染料分子，这些废水大多含有苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质，造成严重的环境污染。所以，在溶解氧的前提下，将纳米二氧化钛作为催化剂，水溶性偶氮就会在光催化的作用下被降解。第四，对造纸废水的处理，其原理与染料废水的处理相似，都是通过二氧化钛的光催化作用使酸碱性的废水被降解。
4.3纳米材料在自来水净化处理中的应用
纳米二氧化钛除了其降解功能外，还具有杀菌的能力，因此，它可以被用来对自来水做净化处理。在对饮用水进行净化时，水中的有机物总量能够减少许多，有的种类能够被完全去除，而有的种类其浓度能够被大大的降低，从而使自来水得到净化。在净化过程中，还能够对自来水杀菌，从而使水的质量得到保障。
结语
综上所述，纳米材料具有其独有的特性，包括表面效应、体积效应、尺寸效应等。正是因为纳米材料的这些特性，使其在水处理工业中能发挥出其功效，使各种污水中的有害物质被消除，从而实现对水的净化作用。
参考文献：
[1]付丹.纳米材料性能提高及其在水处理方面的应用[J].四川化工，2014，06：53-55.
[2]梁敏.纳米材料的特性及其在水处理工业中的应用[J].化工时刊，2015，07：37-39.