本世紀(jì)***面臨大的挑戰(zhàn)之一就是確保實(shí)用的潔凈水質(zhì)． 隨著世界人口的增加，水污染變得更加復(fù)雜，難以移除，在許多地區(qū)，氣候變暖致使水資源缺乏，因此，廢水的回收利用就顯得尤為重要，甚至成為可飲用水． 然而，現(xiàn)有的水處理系統(tǒng)不能夠滿足這一要求． 納米技術(shù)的出現(xiàn)可以提供機(jī)會(huì)來發(fā)展新一代的水處理系統(tǒng)． 本文綜述了納米技術(shù)和納米材料在水處理和廢水利用方面的研究進(jìn)展．  

水是生命之源． 水資源安全和處理與地球健康、能源產(chǎn)品和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有千絲萬縷的關(guān)系． 20 世紀(jì)以來，在提供公眾飲水健康，農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面，水供應(yīng)系統(tǒng)和廢水處理技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步． 但是從***的水資源供應(yīng)來看，依舊面臨諸多問題和挑戰(zhàn)． 全世界每年有8. 84 千萬人缺乏足夠的飲用水， 180 萬孩子死于腹瀉，研究表明其主要原因就是由于水資源受到污染． 因此急需在沒有水處理系統(tǒng)的發(fā)展中***提供基礎(chǔ)的、可負(fù)擔(dān)得起的水處理系統(tǒng)． 同樣在發(fā)達(dá)***，水供應(yīng)系統(tǒng)也面臨諸多挑戰(zhàn)，一方面當(dāng)前的水處理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求; 另一方面，新污染源的出現(xiàn)，比如: 藥品、個(gè)人護(hù)理品和病毒等．  無論是集中水處理系統(tǒng)和分銷處理系統(tǒng)都不能適應(yīng)對(duì)水質(zhì)更高標(biāo)準(zhǔn)的要求． 過去的水處理設(shè)施耗費(fèi)能源、對(duì)水造成損失，并且會(huì)造成水的二次污染．  與此同時(shí)，世界人口的過度增長(zhǎng)也造成***水資源的缺乏，因此廢水的回收利用在缺水地區(qū)是一個(gè)必然的選擇． 但是當(dāng)前的廢水處理系統(tǒng)并不能滿足這一要求．  無論是分離的、集中水處理系統(tǒng)還是廢水系統(tǒng)都不能解決可持續(xù)的城市水供應(yīng)． 因此需要一種新技術(shù)來提供***、多功能和便捷的水處理過程． 納米技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一門高新技術(shù)． 這種技術(shù)可以提供超越常規(guī)的水處理技術(shù)． 研究表明，基于個(gè)別納米技術(shù)水處理的性能優(yōu)于通常慣用的普通處理技術(shù)． 本文就基于納米技術(shù)在水處理和廢水回收過程的應(yīng)用研究進(jìn)展做一綜述．  

1 納米技術(shù)的應(yīng)用

納米技術(shù)不僅可以改進(jìn)、增加當(dāng)前水處理技術(shù)的性能，并且可以發(fā)展為一門新的水處理技術(shù)． 在水處理應(yīng)用方面，納米材料具有的高比表面積可以用于吸附、高光催化活性和***性，粒子分離的超順磁性以及其他一些新穎的光電性質(zhì)能可以提高水處理的質(zhì)量． 目前納米技術(shù)及納米材料在水處理和廢水回收應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾方面．  

1. 1 用于吸附劑

納米吸附劑有許多優(yōu)于普通吸附劑的性能和好處． 比如: ***的高表面積，粒子之間作用的距離短，可調(diào)控的孔徑和表面化學(xué)性質(zhì)． 高比表面積具有高吸附容量． 而且，在納米尺度上高比表面積能和大小依賴于粒子的表面結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生高活性的吸附位點(diǎn)． 從而具有較高比表面積的吸附容量．許多納米材料可以作為特殊材料的靶向分子，具有高選擇性，多孔納米材料具有可調(diào)制的孔徑大小和結(jié)構(gòu)來控制吸附動(dòng)力學(xué)． 納米吸附劑很容易被集成到當(dāng)前的水處理系統(tǒng)中，例如: 懸浮液反應(yīng)器、過濾膜和負(fù)載多孔顆粒吸附劑．

納米二氧化鈦． 對(duì)重金屬和放射性核素有很好的吸附作用，是一種可用的起、性能優(yōu)良的吸附劑． 這些粒子的表面通過修飾操縱可以大限度來活化吸附點(diǎn)． 例如:材料角落、邊界、空隙和高能量的晶面． 另外，磁性納米粒子擁有***的順磁性，很容易在弱磁場(chǎng)下分離水中的污染物． 近年來出現(xiàn)的一種新型核-殼結(jié)構(gòu)的磁性納米材料，磁核可以起到分離粒子的作用，核殼化學(xué)修飾后具有功能化的吸附層，從而形成快速、選擇性吸附和可降解的反應(yīng)中心．

1. 2 傳感和檢驗(yàn)

隨著新污染源的出現(xiàn)，水質(zhì)檢驗(yàn)面臨許多新的挑戰(zhàn)，比如污染物的低濃度、高復(fù)雜性等． 如何開發(fā)低成本、快速的檢測(cè)方法，是當(dāng)下水質(zhì)檢測(cè)研究的熱點(diǎn)． 而對(duì)于診斷消毒、生物膜控制，微生物快速檢測(cè)是一個(gè)主要的研究熱點(diǎn)，而這***都需要開發(fā)***傳感器來提供***、及時(shí)響應(yīng)和靶向治療．納米材料和識(shí)別試劑的有效集成( 抗體、適配子、碳水化合物和***蛋白等) 能夠?qū)ξ⑸餀z測(cè)具有快速、靈敏和高選擇性． 納米材料利用它們***的電化學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，能夠提高傳感響應(yīng)的靈敏性和響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)多通道靶向檢測(cè)． 磁性納米粒子和碳納米管可用來做樣品濃縮和純化，提高檢測(cè)響應(yīng)速度． 量子點(diǎn)( Quantum dots，QDs) 、染料摻雜的納米粒子、貴金屬納米粒子和磁性納米粒子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳感研究． 量子點(diǎn)有寬的吸收譜和穩(wěn)定的、窄的熒光發(fā)射譜，這種發(fā)射譜隨著納米粒子的大小和化學(xué)組成而發(fā)生改變． 在同一個(gè)激發(fā)光源下，可以利用多通道實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的檢測(cè)． 對(duì)于染料摻雜硅和聚合物納米粒子，由于大量染料分子被限制到單個(gè)納米粒子上，所以表現(xiàn)出較高的熒光強(qiáng)度． 貴金屬納米粒子( 納米金、納米銀等) 利用共振表面等離子基元借助光響應(yīng)可以檢測(cè)出病原體． 這主要是利用納米粒子團(tuán)聚的變化或折射因子的改變． 貴金屬納米粒子還能夠增強(qiáng)表面拉曼光譜． 增強(qiáng)因子能夠達(dá)到1014，所以常常能用于單分子檢測(cè)． 碳納米管是另一種優(yōu)良的電極材料和場(chǎng)效應(yīng)晶體管． 將碳納米管包裹在普通電極上( 任意、垂直) 或形成納米陣列電極，這樣就提高了分析物與檢測(cè)器的相互作用、縮短電子轉(zhuǎn)移距離，從而提高檢測(cè)性能．

1. 3 消毒和降解

傳統(tǒng)的消毒劑( 臭氧) 很大程度上會(huì)造成對(duì)水質(zhì)的二次污染，從而危害公眾的飲水健康． 因此需要通過技術(shù)創(chuàng)新來形成沒有副作用、或副作用較小的消毒劑． 納米銀、納米氧化鋅、納米二氧化鈦、納米氧化鈰、碳納米管和富勒烯等納米材料具有較強(qiáng)的***性． 所以這些納米粒子或通過釋放自身有毒的金屬離子( 納米銀、納米氧化鋅) ，或直接接觸細(xì)胞膜( 碳納米管、碳60、納米氧化鈰) ，或形成反應(yīng)活性氧( 納米二氧化鈦、富勒醇、氨代富勒烯)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物生長(zhǎng)的鈍化． 在此過程中會(huì)形成極少量有毒的副產(chǎn)品． 納米銀經(jīng)常作為一種point-of-use( POU) 的水處理材料． 因?yàn)樗憩F(xiàn)出強(qiáng)的、寬譜和低毒的***活性． 納米銀的這種***活性主要通過Ag + 的釋放，釋放出的Ag + 能夠與蛋白中的巰基( － SH) 和DNA 中的磷具有很好的鍵合作用，從而起到抑制微生物生長(zhǎng)的作用．碳納米管的纖維結(jié)構(gòu)、***活性和導(dǎo)電性能夠應(yīng)用到***膜中． 碳納米管和其他碳納米材料的***作用主要涉及到細(xì)胞膜的紊亂和電子結(jié)構(gòu)的氧化扭曲． 短、分散和小直徑的金屬化碳納米管毒性更大． 碳納米管過濾膜也借助電化學(xué)過程，在小伏間歇性電壓的作用下，通過氧化可以機(jī)械捕獲病毒． 在電泳過程中，致使病毒朝碳納米管移動(dòng)．另一種納米材料水處理方法是利用太陽光，通過光催化來降解有機(jī)污染物和失活病毒． 目前研究的焦點(diǎn)主要集中在增強(qiáng)納米材料的量子產(chǎn)率、光催化循環(huán)次數(shù)和設(shè)計(jì)優(yōu)化光反應(yīng)中心． 然而，目前研究結(jié)果做到通過靶向吸附來高選擇性催化． 提高其催化的選擇性，主要依賴于表面化學(xué)裁剪光催化設(shè)計(jì)．

二氧化鈦光催化效率通過產(chǎn)生反應(yīng)活性氧( Reactive oxygen species，ROS) ，在紫外線的照射下產(chǎn)生超氧和羥基自由基． 相比塊狀二氧化鈦，納米二氧化鈦有更高的光催化活性． 這是由于大比表面積、低電荷/空穴復(fù)合比和快速的電子注入的緣故． 然而當(dāng)二氧化鈦離子尺寸小到幾個(gè)納米時(shí)，將失去光催化活性． 這是由于不能在粒子表面形成電荷和空穴．所以必需考慮優(yōu)化納米粒子的尺寸，使其達(dá)到大大的催化效果． 另外也可以通過貴金屬的摻雜來減少二氧化鈦電荷/空穴復(fù)合的幾率． 通過對(duì)TiO2表面的處理來增加污染物的粘附力． 相比二氧化鈦粒子，二氧化鈦納米管有更低的電荷/空穴，由于短的運(yùn)輸路徑從而對(duì)污染物有好的吸收． 通過各種不同的摻雜，包括金屬、染料敏化劑、窄價(jià)帶半導(dǎo)體和非金屬．結(jié)果表明: 通過雜化能級(jí)、電子注入、能帶變窄等方法，可以拓寬二氧化鈦激發(fā)譜到可見區(qū)范圍． 在所有的摻雜體中，氮的非金屬摻雜體被認(rèn)為是有工業(yè)應(yīng)用前景的廉價(jià)摻雜劑． 然而，降低TiO2紫外活性和提高摻雜二氧化鈦的穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步研究．富勒烯和碳納米管也是很好的光敏劑，也能夠產(chǎn)生水中的反應(yīng)活性氧． 在可見光區(qū)激發(fā)，氨代富勒烯和富勒醇能夠產(chǎn)生單線態(tài)氧，這種氧化劑對(duì)富電子的有機(jī)物有很好的選擇性，從而提供了在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的原位降解

2 展望

納米技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)新一代水處理系統(tǒng)跨越式發(fā)展的機(jī)會(huì)． 在發(fā)達(dá)***，納米技術(shù)在水處理的短期應(yīng)用包括解決當(dāng)前水處理出現(xiàn)的問題，改造現(xiàn)有的水供應(yīng)系統(tǒng); 通過對(duì)當(dāng)前現(xiàn)有設(shè)備較小的改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)增加水處理容量，并提***率． 借助納米技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)廢水的回收利用． 基于凈水系統(tǒng)的納米技術(shù)能夠改進(jìn)自來水，通過降低次級(jí)污染物，使其成為飲用水和其它***水質(zhì)應(yīng)用( 圖2) ． 同樣在發(fā)展中***，納米技術(shù)將使凈水系統(tǒng)更便于操作、維修和更新替換，使用更小的電能和化學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)一些特殊的水處理需求．隨著科學(xué)研究的深入和對(duì)未知領(lǐng)域的探索，不久的將來，納米技術(shù)將扮演非常重要的角色，在重塑水處理系統(tǒng)更加***和作用．

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