浅谈纳米材料的特性及其在水处理工业中的应用

摘 要：纳米材料自研发出来以后，因为其良好的物理特性和化学特性，使其在各个领域得到了广泛的应用。其不断的发展为生物、医学等领域开辟了新的研究方向，并取得了很多优秀的成果。本文对纳米材料的特性进行了总结，并对其在水处理工业中的应用进行了分析，希望能够更好的将其应用在水处理工业中。

关键词：纳米材料；特性；水处理工业

纳米材料的微观结构决定了其独有的特性，从而决定了其能够在各个领域得到广泛的应用。对纳米材料的研究从未停止过，纳米材料也处在不断的发展中。根据纳米材料的特性，将其应用于水处理工业中，能够提升水的净化效果，从而为人们提供更好的水质。

一、纳米材料的特性分析

（一）纳米材料的表面与界面效应

纳米材料的特殊结构决定了其特有的性质，其表面与界面效应是指纳米粒子性质上的变化，这个变化是由两方面的因素引起的：一是粒子表面原子数与总原子数之间的比值；二是粒径的变小，比值随粒径的变小有很大幅度的增大，从而引起了纳米粒子性质的变化。这其中存在如下的关系：首先，假设球形颗粒的表面积为S，直径为d，则S与d2之间是成正比的；其次，设球形颗粒的体积为V，那么V与d3也是正比关系。由此，我们便可以判断S/V与d是成反比的，因此，如果纳米粒径变小，比表面积就会有很大幅度的增大。比如，d为20纳米时，S/V为45m2/g；则d为10纳米时，S/V为90m2/g；那么，如果d为4纳米时，则S/V会有显著的增大，为225m2/g。从中我们可以看出，d一直减小，直到纳米级的时候，表面原子数会大量的增加。不仅如此，纳米粒子的表面积和表面能增长速度也非常的快。

（二）纳米材料的体积效应

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。而传统材料的原子数量是难以计数的，其性状呈块状，而纳米材料则不同。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。

（三）纳米材料的尺寸效应

小尺寸效应是宏观物理性质的变化，而这一变化是伴随着颗粒尺寸的缩小而引起的。纳米材料的颗粒是非常小的，其尺寸越小，比面积则越大，从而决定了纳米材料的一些特殊性质。比如，特殊的光学、热学、磁学、力学等性质。除此之外，纳米材料的超微结构所表现出来的小尺寸效应还包括超导电性、特殊的声学特性等方面。

除了上述三种效应外，纳米材料还具有量子尺寸效应和量子隧道效应等特性，这些特性在水处理工业中的应用都具有非常重要的现实意义。

二、纳米材料在水处理工业中的应用

（一） 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。纳米材料之所以被应用于无机废水处理中，是因为它能够有效消除无机物的污染。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，从而达到了消除污水毒性的目的，同时，又减少了贵、重金属的流失，将其从废水中回收。

（二） 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，使其被无机化，从而达到废水处理的目的。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，其排放的污水中有许多染料分子的残留物，会严重污染环境，对环境造成破坏。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。

（三） 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。将纳米二氧化钛固定在玻璃纤维网上，使其充当催化膜的角色。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。

三、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：

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[2] 李靓，于衍真，谭娟，等.磁性纳米材料在水处理中的应用及展望[J].中国资源综合利用，2015，33（12）：22-25.

[3] 李晓军，马扬.納米材料与技术在水处理应用中的新进展[J].化工设计通讯，2016，42（5）：73-74，82.

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