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纳米器件化技术改善水污染净化效果
2015-11-20 14:55  

纳米器件化技术改善水污染净化效果


 光催化水处理膜组件及中试装置

■张辉 郭良宏

    水资源是事关国计民生、经济社会发展的重要课题,河流、湖泊污染状况的不断恶化对饮用水质安全造成重大影响。对饮用水源地的调查发现,水体中普遍存在难降解有机物污染物。由于此类污染具有浓度低和毒性高的特点,使得传统的物化方法和生化处理等在对付此类污染方面都失去了应用的可行性和经济性。如何将水体中低浓度但高毒性的污染物迅速富集起来并有效去除,是科研人员一直在探索的问题。纳米技术的出现为这一问题的解决带来了新曙光。借助科技部重大科学研究计划“水处理功能纳米材料的器件化及其应用基础研究”项目,研究人员在纳米材料的功能化、器件化和水处理应用等方面进行了深入而有效的研究。

    与常规体相材料不同,纳米尺度的材料具有很大的比表面积,一般都在50 m2/g以上。巨大的比表面积使得水体中污染物与纳米材料碰面的几率大大增加,当纳米材料表面存在一些特殊的“触手”时,这些“触手”可以迅速把污染物固定住。比如碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的表面与有机芳香烃类污染物具有类似的结构,因此当芳香烃类污染物遇到碳纳米材料时,很难再逃脱掉。另外,还可以人为构建有选择性的“触手”,如通过对碳表面适当改性或者采用分子印迹技术,就可以对水体中众多的污染物进行选择性的吸附,重点去除高毒性的污染物。在对碳材料改性方面,最简单的方式莫过于煅烧。项目研究人员通过采用不同的煅烧温度,实现了表面碳成分从无定形碳到石墨化碳的转变,从而实现了对大体积水样中不同极性有机污染物如抗生素的选择性吸附。把分散的、低浓度的污染物富集在纳米材料表面后,如何回收纳米材料也是一大问题。科研人员想出了一个有效的解决办法,将碳纳米材料包覆在一个磁性纳米球上,形成核壳结构。这样,利用磁场就可以简单地把吸附了污染物的纳米材料从水体中分离出来了。

    纳米材料的另一优异性质就是随着尺寸的不断减小,其表面也逐渐产生一些具有高表面能的活泼原子,这些活泼原子极易与外来分子结合并反应,而催化反应正需要这些活泼原子作为催化中心。在纳米材料的催化作用下,水体中的污染物就可以迅速与氧气、臭氧、双氧水反应并被降解矿化为无害的二氧化碳和水了。在传统的芬顿氧化处理技术中,由于反应试剂能在水体中自由扩散,易造成流失,而采用纳米材料构建空腔结构,可以将反应物包覆于空腔结构内。这样一方面可以减少外部环境对反应物的干扰,另一方面为化学反应提供了必要的容纳空间,进而提高了反应物的局部浓度,显著改善了污染物的催化降解效率。当然,借助纳米材料也可以不添加额外的化学试剂,通过纳米半导体材料进行光催化降解。如二氧化钛可以吸收太阳辐射中的紫外光,进而与空气中的氧气反应,生成高氧化活性物质,然后迅速把水体中的污染物矿化降解为二氧化碳。在对纳米光催化技术的研究过程中,研究人员还基于化学发光技术建立了催化反应过程的原位监测方法,实现了对催化过程中一些反应活性成分的测定,发现了吸附于催化剂表面的长寿命自由基,这些研究结果为进一步设计高性能光催化剂奠定了理论基础。由于光催化技术不仅绿色环保,而且不需要额外添加化学药品、无二次污染,因此在环境污染去除领域大有应用前景。

    既然纳米材料在水处理方面有这么多优异的性能,接下来就要研究如何推进纳米材料的器件化实现其实际应用。由于污染水体的复杂性,要想利用一套装置实现对不同水体的良好处理效果,在效率和成本面前就不能兼顾。因此,研究人员针对不同的水体建立了具有特色性能的纳米器件化装置。针对家庭饮用水,由于污染物浓度普遍较低,属于深度净化,因此研究人员开发了基于碳纳米管的箱式吸附反应器,通过对吸附组件施加电压提高碳纳米管对污染物的吸附容量和去除效率。使用一段时间后,通过施加反向电压,可以实现吸附材料碳纳米管的原位再生,有效降低了传统家用饮水装置定期更换吸附材料的成本,并以此为基础完成了家庭型饮用水处理样机的设计和研制。针对地表水和饮用水源地的污染处理,研究人员制备了基于碳材料的中空纤维膜,并进一步将纳米膜分离工艺与电化学、光催化和臭氧催化氧化技术耦合,实现了水体中污染物的高效降解去除,并解决了膜污染问题。这项技术目前正在进行中试研究并取得了不错的效果,未来有希望成为水体净化的重要技术之一。

    需要指出的是,虽然纳米器件在水污染深度净化方面展现出了独特的优势,但目前较高的成本依然限制了其在实际应用中的推广。经过科研人员的进一步努力,伴随纳米技术的不断发展,纳米器件的制备和使用成本将不断降低,从而推动纳米技术在环境领域的实用化进程。

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