摘要：作為光催化劑的納米Ti02因其穩(wěn)定、廉價、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在國內外的發(fā)展情況和納米Ti02在水處理中的應用。

關鍵詞：納米技術,納米材料,納米光催化劑,Ti02,水處理

納米是一個長度單位，1納米為10－9m。納米技術是20世紀90年代出現(xiàn)的一門新興技術。它是在0．10至100納米尺度的空間內，研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性的嶄新技術。諾貝爾獎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)達國家，現(xiàn)在重視納米技術和納米材料的國家很可能成為下一世紀的先進國家。

1納米技術和納米材料在世界的發(fā)展情況

鑒于納米技術和納米材料在未來高新技術發(fā)展中的重要地位及產業(yè)化的美好前景，目前世界各國特別是發(fā)達國家對發(fā)展納米技術和納米材料非常重視，并從戰(zhàn)略高度部署納米技術研究，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（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應用作為重要基礎研究項目向全國科技界招標，在能源項目列出的8項優(yōu)先研究項目中，其中6項是關于納米材料的；日本近7年來制定了各種計劃用于納米科技的研究，例如Ogala計劃、ERATO計劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計劃；德國科研技術部幫助聯(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構的研究熱潮在下一世紀相當長的一段時間內保持繼續(xù)發(fā)展的勢頭。

當前世界各國制定納米技術和納米材料的戰(zhàn)略是：以未來的經濟振興和國家的實際需求為目標，牽引納米材料的基礎研究和應用開發(fā)研究；組織多學科的科技人員交叉創(chuàng)舉，重視基礎和應用研究的銜接，重視技術集成；重視納米材料和技術改造傳統(tǒng)產品，提高高技術含量，同時部署納米技術和納米材料在環(huán)境、能源和信息等重要領域的應用，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

2納米技術和納米材料在中國的發(fā)展情況

我國納米技術和納米材料始于80年代末。“八五”期間，納米材料科學列入國家攀登項目，1996年以后，納米材料的應用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，并在以下幾個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，超細顆粒技術居世界第4，納米材料技術居世界第7。目前納米復合、纖維、塑料、橡膠等材料的改性、納米功能涂層材料的設計和應用及納米材料在能源和環(huán)保等方面的應用開發(fā)已在我國興起。

目前我國有60多個研究小組，600多人從事納米技術和納米材料的基礎和應用研究，形成了一支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占有一席之地，應用開發(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。

3納米催化劑在水處理中的應用

3．1納米材料作催化劑的優(yōu)點及光催化原理

納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分數(shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒的內部不同，表面原子配位不全導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，這就增加了化學反應的接觸面。科研人員預計超微粒子催化劑在下一世紀很可能成為催化反應的主要角色。

光催化材料是具有環(huán)境凈化和自潔功能的半導體材料的總稱。半導體的光催化效應是指：在光的照射下，價帶電子躍遷到導帶，價帶的孔穴把周圍環(huán)境中的羥基電子奪過來，羥基變成自由基，成為強氧化劑將酯類變化如下：酯→醇→醛→酸→CO2，完成了對有機物的降解。具有這種光催化效應的半導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)缺點和納米Ti02的優(yōu)勢

Ti02是公認的最有效光催化劑，它的顯著優(yōu)點是：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；在較大ｐH值范圍內的穩(wěn)定性強；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一步提高。

研究發(fā)現(xiàn)納米級Ti02材料的催化效率遠遠高于一般的半導體，原因在于：①由于量子尺寸效應使其導帶和價帶能級變成分立能級，能隙變寬，導帶電位變得更負，而價帶電位變得更正，這意味著納米半導體粒子具有更強的氧化和還原能力；②由于納米半導體粒子的粒徑小，比粗顆粒更容易通過擴散從粒子內遷移到表面，有利于得或失電子，促進氧化和還原反應?？蒲腥藛T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光催化應用技術工藝簡單、成本低廉，利用自然光即可催化分解細菌和污染物，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）有機污染物的處理。納米Ti02利用自身受光照射時產生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力，能降解大多數(shù)有機物，最終生成無毒無味的CO2、H2O及一些簡單的無機物。參考近幾年來發(fā)表的文獻，將在光催化機理方面作為目標化合物重點研究的物質主要分為脂肪酸、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。這些物質經過納米Ti02的光催化作用后，都可以轉化為CO2和H2O，完成氧化降解。將納米光催化材料作成空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，便可利用太陽光進行有機物的降解。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行處理。

在光催化氧化含多個可氧化部位的化合物時，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，他們都含有兩個可氧化的官能團（－OH－和－O－），反應明顯傾向于－OH－處而非－O－處被氧化。

（2）無機污染物的處理。除有機物外，許多無機物在納米表面也具有光化學活性，例如對Cr2O72－離子水溶液的處理，利用Ti02懸浮粉末經光照將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－，再進一步反應生成CO2、和N－NO3；用Ti02光催化法可從Au（CN）4中還原Au，同時氧化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，是一種有實用價值的處理方法。

大量試驗結果表明，納米Ti02光催化反應對于工業(yè)廢水具有很強的處理能力。但值得一提的是，由于光催化反應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，若雜質多、濁度高、透光性差，反應則難以進行。因此該方法在實際廢水處理中，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胞無毒性，只是由于其形成較大的聚集體時才對微生物構成危害。例如，0．03～10μm的Ti02聚集體由于沉積和包覆在這些微生物細胞表面，而將其殺死。

納米Ti02光催化殺滅微生物細胞有直接和間接反應兩種不同的機理。光激發(fā)Ti02和細胞間的直接反應是光生電子和光生空穴直接和細胞壁、細胞膜或細胞的組成成分反應，導致功能單元失活而致細胞死亡。在懸浮液體中，Ti02顆?；蛭接谖⑸锛毎谋砻妫虮晃⑸锛毎淌啥诩毎麅染奂?。被細胞吞噬的Ti02顆粒，其產生的光生空穴和活性氧類直接與細胞內的組成成分發(fā)生生化反應，因而更加有效。由于紫外光激發(fā)Ti02顆粒產生的空穴具有非常強的氧化能力，而且生成的活性氧類具有非常強的反應活性。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胞、細胞等人體惡性腫瘤細胞。此外，光激發(fā)Ti02具有強殺菌性能和顯著的抗瘤性，有望應用于室內消毒殺菌、水處理河水污染綜合治理以及癌癥的光動力學療法。

目前，Ti02光催化的主要應用領域在于降解污染物。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行改進，Ti02光催化在建立新分析測試方法中的應用研究正在蓬勃發(fā)展。

參考文獻
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