摘要：作為光催化劑的納米Ti02因其穩(wěn)定、廉價(jià)、無毒、高效而倍受人們的青睞，利用其光催化作用處理廢水是一種很有效的方法。簡要介紹了納米技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展情況和納米Ti02在水處理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù),納米材料,納米光催化劑,Ti02,水處理

納米是一個(gè)長度單位，1納米為10－9m。納米技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一門新興技術(shù)。它是在0．10至100納米尺度的空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的嶄新技術(shù)。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者羅雷爾曾說過：70年重視微米研究的國家如今都成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在重視納米技術(shù)和納米材料的國家很可能成為下一世紀(jì)的先進(jìn)國家。

1納米技術(shù)和納米材料在世界的發(fā)展情況

鑒于納米技術(shù)和納米材料在未來高新技術(shù)發(fā)展中的重要地位及產(chǎn)業(yè)化的美好前景，目前世界各國特別是發(fā)達(dá)國家對發(fā)展納米技術(shù)和納米材料非常重視，并從戰(zhàn)略高度部署納米技術(shù)研究，目的是提高本國在國際上的競爭地位。

美國國家基金委員會(huì)（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應(yīng)用作為重要基礎(chǔ)研究項(xiàng)目向全國科技界招標(biāo)，在能源項(xiàng)目列出的8項(xiàng)優(yōu)先研究項(xiàng)目中，其中6項(xiàng)是關(guān)于納米材料的；日本近7年來制定了各種計(jì)劃用于納米科技的研究，例如Ogala計(jì)劃、ERATO計(jì)劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計(jì)劃；德國科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15a發(fā)展納米科技的計(jì)劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1．2億美元。這說明納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究熱潮在下一世紀(jì)相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保持繼續(xù)發(fā)展的勢頭。

當(dāng)前世界各國制定納米技術(shù)和納米材料的戰(zhàn)略是：以未來的經(jīng)濟(jì)振興和國家的實(shí)際需求為目標(biāo)，牽引納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)研究；組織多學(xué)科的科技人員交叉創(chuàng)舉，重視基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的銜接，重視技術(shù)集成；重視納米材料和技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品，提高高技術(shù)含量，同時(shí)部署納米技術(shù)和納米材料在環(huán)境、能源和信息等重要領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

2納米技術(shù)和納米材料在中國的發(fā)展情況

我國納米技術(shù)和納米材料始于80年代末。“八五”期間，納米材料科學(xué)列入國家攀登項(xiàng)目，1996年以后，納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，并在以下幾個(gè)方面取得了重大成果：①大面積定向碳管陣列合成；②超長納米碳管制備；③氮化鎵納米棒制備；④硅襯底上碳納米管陣列研制成功；⑤準(zhǔn)一維納米絲納米電纜制成；⑥苯熱法制備納米氮化鎵微晶。我國納米科技水平與美、日、英、德等國家相比差距較大，超細(xì)顆粒技術(shù)居世界第4，納米材料技術(shù)居世界第7。目前納米復(fù)合、纖維、塑料、橡膠等材料的改性、納米功能涂層材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用及納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用開發(fā)已在我國興起。

目前我國有60多個(gè)研究小組，600多人從事納米技術(shù)和納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，形成了一支高水平的科研隊(duì)伍，基礎(chǔ)研究在國際上占有一席之地，應(yīng)用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3納米催化劑在水處理中的應(yīng)用

3．1納米材料作催化劑的優(yōu)點(diǎn)及光催化原理

納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒的內(nèi)部不同，表面原子配位不全導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。關(guān)于納米微粒表面形態(tài)的研究指出，隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凹凸不平的原子臺階，這就增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。科研人員預(yù)計(jì)超微粒子催化劑在下一世紀(jì)很可能成為催化反應(yīng)的主要角色。

光催化材料是具有環(huán)境凈化和自潔功能的半導(dǎo)體材料的總稱。半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指：在光的照射下，價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的孔穴把周圍環(huán)境中的羥基電子奪過來，羥基變成自由基，成為強(qiáng)氧化劑將酯類變化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了對有機(jī)物的降解。具有這種光催化效應(yīng)的半導(dǎo)體的能隙既不能太寬，也不能太窄，一般為1．9～3．1eV。

3．2Ti02作光催化劑的優(yōu)缺點(diǎn)和納米Ti02的優(yōu)勢

Ti02是公認(rèn)的最有效光催化劑，它的顯著優(yōu)點(diǎn)是：能有效吸收太陽光譜中的弱紫外輻射部分；氧化還原性較強(qiáng)；在較大ｐH值范圍內(nèi)的穩(wěn)定性強(qiáng)；無毒。但由于Ti02的禁帶寬度為3．2eV，只能吸收波長小于387Nm的紫外輻射，不能充分利用太陽能。另外，Ti02的光量子效率也有待進(jìn)一步提高。

研究發(fā)現(xiàn)納米級Ti02材料的催化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的半導(dǎo)體，原因在于：①由于量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價(jià)帶能級變成分立能級，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負(fù)，而價(jià)帶電位變得更正，這意味著納米半導(dǎo)體粒子具有更強(qiáng)的氧化和還原能力；②由于納米半導(dǎo)體粒子的粒徑小，比粗顆粒更容易通過擴(kuò)散從粒子內(nèi)遷移到表面，有利于得或失電子，促進(jìn)氧化和還原反應(yīng)。科研人員將醇鹽法合成的摻雜Fe2O3的Ti02光催化劑用于處理含ＳO3和Cr2O72－的廢水，發(fā)現(xiàn)納米Ti02的催化活性比普通Ti02粉末（約為10μm）高得多。納米Ti02光催化應(yīng)用技術(shù)工藝簡單、成本低廉，利用自然光即可催化分解細(xì)菌和污染物，且能長期有益于生態(tài)自然環(huán)境，是最具有開發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一。

3．3納米Ti02在水處理中的應(yīng)用

納米科技的發(fā)展為人類治理環(huán)境開辟了一條行之有效的新途徑。

（1）有機(jī)污染物的處理。納米Ti02利用自身受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，能降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無毒無味的CO2、H2O及一些簡單的無機(jī)物。參考近幾年來發(fā)表的文獻(xiàn)，將在光催化機(jī)理方面作為目標(biāo)化合物重點(diǎn)研究的物質(zhì)主要分為脂肪酸、芳香酸和酚類，按被降解物的用途不同可分為燃料、除草劑、殺表面活性劑。這些物質(zhì)經(jīng)過納米Ti02的光催化作用后，都可以轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，完成氧化降解。將納米光催化材料作成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，便可利用太陽光進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國、日本就是利用這種方法對海上石油泄漏造成的污染進(jìn)行處理。

在光催化氧化含多個(gè)可氧化部位的化合物時(shí)，底物具有優(yōu)先氧化選擇性，例如：在光催化降解2－甲氧基乙醇、乙氧2－基甲醇.html"target=_blank>甲醇時(shí)，他們都含有兩個(gè)可氧化的官能團(tuán)（－OH－和－O－），反應(yīng)明顯傾向于－OH－處而非－O－處被氧化。

（2）無機(jī)污染物的處理。除有機(jī)物外，許多無機(jī)物在納米表面也具有光化學(xué)活性，例如對Cr2O72－離子水溶液的處理，利用Ti02懸浮粉末經(jīng)光照將Cr2O72－還原為Cr3＋；對含氰廢水的處理，以Ti02光催化劑將CN－氧化為OCN－，再進(jìn)一步反應(yīng)生成CO2、和N－NO3；用Ti02光催化法可從Au（CN）4中還原Au，同時(shí)氧化CN－為NH3和CO2，該法可用于電鍍工業(yè)廢水的處理，不僅能還原鍍液中的貴金屬，而且還能消除鍍液中氰化物對環(huán)境的污染，是一種有實(shí)用價(jià)值的處理方法。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，納米Ti02光催化反應(yīng)對于工業(yè)廢水具有很強(qiáng)的處理能力。但值得一提的是，由于光催化反應(yīng)是基于體系對光能量的吸收，因此要求被處理體系具有良好的透光性。對于高濃度的工業(yè)廢水，若雜質(zhì)多、濁度高、透光性差，反應(yīng)則難以進(jìn)行。因此該方法在實(shí)際廢水處理中，適用于后期的深度處理。

（3）微生物的滅殺。納米Ti02微粒本身對微生物細(xì)胞無毒性，只是由于其形成較大的聚集體時(shí)才對微生物構(gòu)成危害。例如，0．03～10μm的Ti02聚集體由于沉積和包覆在這些微生物細(xì)胞表面，而將其殺死。

納米Ti02光催化殺滅微生物細(xì)胞有直接和間接反應(yīng)兩種不同的機(jī)理。光激發(fā)Ti02和細(xì)胞間的直接反應(yīng)是光生電子和光生空穴直接和細(xì)胞壁、細(xì)胞膜或細(xì)胞的組成成分反應(yīng)，導(dǎo)致功能單元失活而致細(xì)胞死亡。在懸浮液體中，Ti02顆粒或吸附于微生物細(xì)胞的表面，或被微生物細(xì)胞吞噬而在細(xì)胞內(nèi)聚集。被細(xì)胞吞噬的Ti02顆粒，其產(chǎn)生的光生空穴和活性氧類直接與細(xì)胞內(nèi)的組成成分發(fā)生生化反應(yīng)，因而更加有效。由于紫外光激發(fā)Ti02顆粒產(chǎn)生的空穴具有非常強(qiáng)的氧化能力，而且生成的活性氧類具有非常強(qiáng)的反應(yīng)活性。因而無論懸浮液體系還是在光陽極表面，光激發(fā)Ti02顆粒均能有效且徹底地殺滅乳酸桿菌、面包酵母菌、大腸桿菌以及海拉細(xì)胞、細(xì)胞等人體惡性腫瘤細(xì)胞。此外，光激發(fā)Ti02具有強(qiáng)殺菌性能和顯著的抗瘤性，有望應(yīng)用于室內(nèi)消毒殺菌、水處理河水污染綜合治理以及癌癥的光動(dòng)力學(xué)療法。

目前，Ti02光催化的主要應(yīng)用領(lǐng)域在于降解污染物。近年來，不斷有研究根據(jù)光催化原理對水體中的污染程度進(jìn)行評估，或利用光催化作為分析檢測的前處理手段對原有分析方法進(jìn)行改進(jìn)，Ti02光催化在建立新分析測試方法中的應(yīng)用研究正在蓬勃發(fā)展。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。

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