纳米净水材料的研究
摘要
目前饮用水深度处理方法主要有以下几种：粒状活性炭吸附法；臭
氧－粒状活性炭联用法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法；
纳滤、超滤、微滤、反渗透等四种膜分离方法。在上述几种深度处理方
法中，粒状活性炭吸附法能有效地去除水中有机污染物，但对重金属离
子的去除能力有限；化学氧化法与光化学氧化法也只对水中有机污染物
有效；纳滤、超滤、微滤能有效地去除水中悬浮物、胶体、大分子有机
物、细菌与病毒，但对低浓度重金属污染废水处理较难并且不能去除小
分子有机物，D. Bhattacharyya 等研究的微滤膜在处理低浓度重金属污染
废水过程中，膜对镉离子的去除效果并不明显；反渗透对水中重金属污
染物的去除效果总体上可达 95%以上，但却存在着浓差极化、膜结垢及
膜的化学降解与生物降解的缺点。
现行饮用水深度处理方法在具有各自优点的同时也存在着上述诸多
缺点，那么应研究怎样的一种方法或材料，既经济、高效又操作简单？
而且对含各种有害污染物（重金属、有机物、细菌等）的低浓度污水具
有很好的去除效果？这些都是本文需要研究的内容。
第一章讲述了水中各种污染物（重金属、有机物、细菌病毒等）的
危害及其污染现状；介绍了现行水处理技术方法以及各种技术方法中采
用的净水材料，并简述了各种方法、材料在净水效果和净水能力方面的
优缺点。
第二章研究纳米净水材料的制备过程及方法。
第三章通过 ＸＲＤ、ＴＥＭ、ＳＥＭ、氮吸附的测试，对自制纳米净水材料进
行表征，以确定自制纳米净水材料中纳米粒子的组成、纳米粒子的形貌、
纳米粒子的分布状态、纳米粒子与载体的结合情况、纳米净水材料的形
1
吉林大学 2004 硕士毕业论文
貌，等等。并根据‘Ｘ 射线宽化法’，利用谢乐（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）公式求得纳米
粒子的平均晶粒度。
第四章净水实验，为了研究材料的净水效果，我们设计了一系列的
对比试验。分别研究了以不同原料(普通铝粉、纳米铝粉)、不同粒子（复
合纳米粒子（Ａｌ２Ｏ３·Ｈ２Ｏ和γ－ＡｌＯＯＨ）， 与 由复合纳米粒子 在４５０℃温度
下烧结成的纳米 γ－ Ａｌ２Ｏ３及普通粒径的 γ－ Ａｌ２Ｏ３）、不同载体（活性炭
纤维，微晶纤维素和聚乙烯纤维）制备的材料的净水效果比较试验，及
确定了净水效果最佳的纳米净水材料，即以自制复合纳米粒子为主体，
活性炭纤维为载体的净水材料；通过活性炭纤维的净水效果与以活性炭
纤维为载体的纳米净水材料的净水效果比较实验，证明了在自制的净水
材料中，复合纳米粒子起着主要的净水作用，载体活性炭纤维起到了一
定的辅助净水作用；研究了自制纳米净水材料对水中重金属、细菌、有
机物的深度处理。
研究结果表明：
纳米净水材料中，复合纳米粒子的组成为 Ａｌ２Ｏ３·Ｈ２Ｏ 和γ－ＡｌＯＯＨ，
粒径分别为 ３ｎｍ，４ｎｍ，ＢＥＴ 比表面积 ４３１．７３５０ｃm2 / g，孔径 51.2028?，
孔容 0.465368cm3/g。
纳米级的粒径、大的比表面积使其具有较高的表面活性和过剩的表
面能，有利于在其表面上吸附更多的其它粒子，小的孔径和孔容，可起
到截留阻挡的作用，在净水过程中复合纳米粒子起着主要的净水作用；
活性炭纤维作为复合纳米粒子的载体，其上附着的纳米粒子多且分布比
较均匀，由于活性炭纤维本身具有的吸附性使其在净水过程中起到一定
的辅助净水作用，同时，由于所用活性炭纤维单丝直径很小（18－20μ
m），在纳米净水材料中形成交错分布的致密结构，从而对水中的污染物
具有一定的截留阻挡作用。
2
吉林大学 2004 硕士毕业论文
纳米净水材料对水中的重金属、细菌、有机物具有很强的去除能力
和较好的去除效果，最大去除率接近 100%。
纳米净水材料成本低，处理流程简单，有望制成便携式净水器，具有
一定的应用前景。
氧－粒状活性炭联用法或生物活性炭法；化学氧化法；光化学氧化法；
纳滤、超滤、微滤、反渗透等四种膜分离方法。在上述几种深度处理方
法中，粒状活性炭吸附法能有效地去除水中有机污染物，但对重金属离
子的去除能力有限；化学氧化法与光化学氧化法也只对水中有机污染物
有效；纳滤、超滤、微滤能有效地去除水中悬浮物、胶体、大分子有机
物、细菌与病毒，但对低浓度重金属污染废水处理较难并且不能去除小
分子有机物，D. Bhattacharyya 等研究的微滤膜在处理低浓度重金属污染
废水过程中，膜对镉离子的去除效果并不明显；反渗透对水中重金属污
染物的去除效果总体上可达 95%以上，但却存在着浓差极化、膜结垢及
膜的化学降解与生物降解的缺点。
现行饮用水深度处理方法在具有各自优点的同时也存在着上述诸多
缺点，那么应研究怎样的一种方法或材料，既经济、高效又操作简单？
而且对含各种有害污染物（重金属、有机物、细菌等）的低浓度污水具
有很好的去除效果？这些都是本文需要研究的内容。
第一章讲述了水中各种污染物（重金属、有机物、细菌病毒等）的
危害及其污染现状；介绍了现行水处理技术方法以及各种技术方法中采
用的净水材料，并简述了各种方法、材料在净水效果和净水能力方面的
优缺点。
第二章研究纳米净水材料的制备过程及方法。
第三章通过 ＸＲＤ、ＴＥＭ、ＳＥＭ、氮吸附的测试，对自制纳米净水材料进
行表征，以确定自制纳米净水材料中纳米粒子的组成、纳米粒子的形貌、
纳米粒子的分布状态、纳米粒子与载体的结合情况、纳米净水材料的形
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吉林大学 2004 硕士毕业论文
貌，等等。并根据‘Ｘ 射线宽化法’，利用谢乐（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）公式求得纳米
粒子的平均晶粒度。
第四章净水实验，为了研究材料的净水效果，我们设计了一系列的
对比试验。分别研究了以不同原料(普通铝粉、纳米铝粉)、不同粒子（复
合纳米粒子（Ａｌ２Ｏ３·Ｈ２Ｏ和γ－ＡｌＯＯＨ）， 与 由复合纳米粒子 在４５０℃温度
下烧结成的纳米 γ－ Ａｌ２Ｏ３及普通粒径的 γ－ Ａｌ２Ｏ３）、不同载体（活性炭
纤维，微晶纤维素和聚乙烯纤维）制备的材料的净水效果比较试验，及
确定了净水效果最佳的纳米净水材料，即以自制复合纳米粒子为主体，
活性炭纤维为载体的净水材料；通过活性炭纤维的净水效果与以活性炭
纤维为载体的纳米净水材料的净水效果比较实验，证明了在自制的净水
材料中，复合纳米粒子起着主要的净水作用，载体活性炭纤维起到了一
定的辅助净水作用；研究了自制纳米净水材料对水中重金属、细菌、有
机物的深度处理。
研究结果表明：
纳米净水材料中，复合纳米粒子的组成为 Ａｌ２Ｏ３·Ｈ２Ｏ 和γ－ＡｌＯＯＨ，
粒径分别为 ３ｎｍ，４ｎｍ，ＢＥＴ 比表面积 ４３１．７３５０ｃm2 / g，孔径 51.2028?，
孔容 0.465368cm3/g。
纳米级的粒径、大的比表面积使其具有较高的表面活性和过剩的表
面能，有利于在其表面上吸附更多的其它粒子，小的孔径和孔容，可起
到截留阻挡的作用，在净水过程中复合纳米粒子起着主要的净水作用；
活性炭纤维作为复合纳米粒子的载体，其上附着的纳米粒子多且分布比
较均匀，由于活性炭纤维本身具有的吸附性使其在净水过程中起到一定
的辅助净水作用，同时，由于所用活性炭纤维单丝直径很小（18－20μ
m），在纳米净水材料中形成交错分布的致密结构，从而对水中的污染物
具有一定的截留阻挡作用。
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吉林大学 2004 硕士毕业论文
纳米净水材料对水中的重金属、细菌、有机物具有很强的去除能力
和较好的去除效果，最大去除率接近 100%。
纳米净水材料成本低，处理流程简单，有望制成便携式净水器，具有
一定的应用前景。
引文
[1] 沙爱燕．优质饮用水工程势在必行[J]．环境保护科学，1999，25(3)：22
－24．
[2] 黄肖容，隋贤栋．梯度氧化铝膜对生活污水的净化处理[J]．膜科学与技
术，2001，21(1)：52-55．
[3] 杨靖，周柏青，钱达中等．饮水有机物污染的控制[J]．水处理技术，
2001，27(3)：125，125．
[4] 俞顺章．净水器进展及其正确应用的研究[J]．上海预防医学杂志，
1997，9(6)：249，249．
[5] 常学秀，文传浩，王焕校．重金属污染与人体健康．云南环境科学，
2000，19(1)：59-61．
[6] 袁绍军，姜斌，李天成等．电解法净化含重金属离子废水的试验研究
[J] ．化学工业与工程，2003，20(1)：7－10．
[7] 张国柱，赵素云．简述重金属污染物——汞和镉[J]．中学生物教学，
2002，(7－8)：92－93．
[8] 梁咏梅，刘伟，马军．ｐＨ和腐殖酸对高铁酸盐去除水中铅、镉的影
响[J]．哈尔滨工业大学学报，2003，35(5)：545－548．
[9] 陈复．水处理技术及药剂大全[M]．北京：中国石化出版社，2000：530
－531，38－75．
[10] 汤为龙，林嗣荣，许福根等．从铁锰含量高的地下水制取生活饮用水
的研究[J]．铀矿冶，1998，17(3)：189－193．
[11] 国家环保局．中国环境质量报告－水质部分[R] ．北京：中国国家环
境保护总局，1995．
55
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[12] 赵勇胜，曹玉清．地下水的有机污染［Ｊ］ ．工程勘查，1995(1)：28－
31．
[13] 赵璇，吴天宝，叶裕才．我国饮用水源的重金属污染及治理技术深化
问题[J]．给水排水，1998，24(10)：22－25．
[14] 于鑫，张晓健，王占生．水源水及饮用水中的有机物对人体健康的影
响[J]．中国公共卫生，2003，19(4)：481－482．
[15] 王志飞，胡海修．饮用水中的天然有机物去除方法探讨[J]．净水技术，
2002，21(1)：10－12．
[16] 许建华，万英，汤利华等．微污染原水的生物接触氧化法预处理技术
研究[J] ．同济大学学报，1995，23(4)：376-381．
[17] 王占生，刘文君．微污染水源饮用水处理[M] ．北京：中国建筑工业
出版社，1999：15-18．
[18] GB 5749－2001，生活饮用水卫生规范[S] ．北京：中华人民共和国卫
生部，2001．
[19] 桂祖晟．我国部分城市饮用水有机微污染状况及深度处理[J]．天津城
市建设学院学报，2000，6(1)：70－74．
[20] 傅金祥，金成清．居住区生活饮用水二次污染及防治对策研究[J] ．
给水排水，1998，24(7)：55－59．
[21] 朱惠刚．环境与健康是人类永恒的主题[J]．环境与健康杂志，1999，
16(1)：2．
[22] 黄强．水源水有机物污染与监测[J]．福建环境，2001，18(3)：18－19．
[23] 庄颖．水中有机污染物对人体的潜在危害及预防对策[J]．环境与健康
杂志，2001，18(3)：187－189．
[24] 马荣全．细菌能存活 200 万年[J]．生物今古奇观，1999，(6)：3．
[25] 魏复盛．水和废水监测分析方法[M]．北京：中国环境科学出版社，
1989：465－486，479．
56
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[26] Ames B N． Cancer Research [J] ． Cancer Research ,1981, 41(10)：
4192 ．
[27] 马中元．水质污染与人体健康[J] ．中国给水排水，1992，8(1)：23-26．
[28] 贾秋萍．化学沉淀法处理电镀废水循环利用实践［Ｊ］．辽宁城乡环境
科技，2003(1)：16－19．
[29] Tennakoon cl,Vlyssides A G．Removal and Recovery of Heavy Metals
from Dilute Aqueous Streams by Biosorption and Electrolysis
[J] ．Applied Electrochem,1996 , 26:18－29．
[30] 宋显洪，周志鹤．微孔精密过滤机处理重金属废水[J]．有色金属，
2003，55：147－151．
[31] 张建梅．重金属废水处理技术研究进展(综述)[J]．西安联合大学学报，
2003，6(2)：55－59．
[32] 傅伟昌，王继徽．改性天然高分子重金属离子去除剂的研究现状[J] ．
吉首大学学报(自然科学版)，2001，22(3)：86－89．
[33] Kentaky．Ceramic Membranes and Electrosorption Work Together to
Purify Water[J] ． Ceramic Membranes & Electrosoption, 2001, 9, 32．
[34] Bhattacharyya, D. Hestkin. I.A. Brushaber et al． Novel Poly-glutamic
Acid Functionalized Microfiltraion[J]． J. Membranes for Sorption of
Heavy Metals at High Capacity, 1998, (4): 12－135．
[35] B. Van der Bruggrn, A. Koninckx, C. Vandecasteele． Separation of
monovalent and divalent ions from aqueous solution by eletrodiaysis and
nanofiltration[J] ． Water Research, 2004,38: 1347-1353．
[36] Tim Van Gestel a,b, Bart Van der Bruggen a, Anita Buekenhoudt b．
Surface modifivation of - Al2O3/TiO2 multilayer membranes for
applications in non-polar organic solvents[J] ．Journal of Membrane
Science, 2003, 224:3-10．
57
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[37] 张景明．回流萃取法提取水中有机物[J]．环境监测管理与技术，2002，
14(2)：24－25．
[38] 金彪，李广贺，张旭．一种经济有效的含油地下水预处理方法—吹脱
法[J]．油气田环境保护，1999，9(1)：12－16．
[39] 马沛，邱红英，米钰．含酚废水的生物处理法[J] ．陕西环境，1998，
5(3)：17－19．
[40] 曾绍琼，谢益民．生物膜法废水处理[J]．广东造纸，1998，(5)：48－
53．
[41] 张建梅，韩志萍，王亚军．重金属废水的生物处理技术［Ｊ］．环境污染
治理技术与设备，2003，4(4)：75-78．
[42] D. Bfattcharyya, J.A. Hestekin, S.M.C. Ritchie ．Functionalised
Membranes Remove and Recover Dissolved Heavy Metals[J]．
Membrane Technology, 1998,(110)： 8－9．
[43] 何少华，娄金生，熊正为等．反渗透系统在饮用水深度处理中的应用
［Ｊ］．南华大学学报（理工版），2003，17(1)：55－58．
－24．
[2] 黄肖容，隋贤栋．梯度氧化铝膜对生活污水的净化处理[J]．膜科学与技
术，2001，21(1)：52-55．
[3] 杨靖，周柏青，钱达中等．饮水有机物污染的控制[J]．水处理技术，
2001，27(3)：125，125．
[4] 俞顺章．净水器进展及其正确应用的研究[J]．上海预防医学杂志，
1997，9(6)：249，249．
[5] 常学秀，文传浩，王焕校．重金属污染与人体健康．云南环境科学，
2000，19(1)：59-61．
[6] 袁绍军，姜斌，李天成等．电解法净化含重金属离子废水的试验研究
[J] ．化学工业与工程，2003，20(1)：7－10．
[7] 张国柱，赵素云．简述重金属污染物——汞和镉[J]．中学生物教学，
2002，(7－8)：92－93．
[8] 梁咏梅，刘伟，马军．ｐＨ和腐殖酸对高铁酸盐去除水中铅、镉的影
响[J]．哈尔滨工业大学学报，2003，35(5)：545－548．
[9] 陈复．水处理技术及药剂大全[M]．北京：中国石化出版社，2000：530
－531，38－75．
[10] 汤为龙，林嗣荣，许福根等．从铁锰含量高的地下水制取生活饮用水
的研究[J]．铀矿冶，1998，17(3)：189－193．
[11] 国家环保局．中国环境质量报告－水质部分[R] ．北京：中国国家环
境保护总局，1995．
55
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[12] 赵勇胜，曹玉清．地下水的有机污染［Ｊ］ ．工程勘查，1995(1)：28－
31．
[13] 赵璇，吴天宝，叶裕才．我国饮用水源的重金属污染及治理技术深化
问题[J]．给水排水，1998，24(10)：22－25．
[14] 于鑫，张晓健，王占生．水源水及饮用水中的有机物对人体健康的影
响[J]．中国公共卫生，2003，19(4)：481－482．
[15] 王志飞，胡海修．饮用水中的天然有机物去除方法探讨[J]．净水技术，
2002，21(1)：10－12．
[16] 许建华，万英，汤利华等．微污染原水的生物接触氧化法预处理技术
研究[J] ．同济大学学报，1995，23(4)：376-381．
[17] 王占生，刘文君．微污染水源饮用水处理[M] ．北京：中国建筑工业
出版社，1999：15-18．
[18] GB 5749－2001，生活饮用水卫生规范[S] ．北京：中华人民共和国卫
生部，2001．
[19] 桂祖晟．我国部分城市饮用水有机微污染状况及深度处理[J]．天津城
市建设学院学报，2000，6(1)：70－74．
[20] 傅金祥，金成清．居住区生活饮用水二次污染及防治对策研究[J] ．
给水排水，1998，24(7)：55－59．
[21] 朱惠刚．环境与健康是人类永恒的主题[J]．环境与健康杂志，1999，
16(1)：2．
[22] 黄强．水源水有机物污染与监测[J]．福建环境，2001，18(3)：18－19．
[23] 庄颖．水中有机污染物对人体的潜在危害及预防对策[J]．环境与健康
杂志，2001，18(3)：187－189．
[24] 马荣全．细菌能存活 200 万年[J]．生物今古奇观，1999，(6)：3．
[25] 魏复盛．水和废水监测分析方法[M]．北京：中国环境科学出版社，
1989：465－486，479．
56
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[26] Ames B N． Cancer Research [J] ． Cancer Research ,1981, 41(10)：
4192 ．
[27] 马中元．水质污染与人体健康[J] ．中国给水排水，1992，8(1)：23-26．
[28] 贾秋萍．化学沉淀法处理电镀废水循环利用实践［Ｊ］．辽宁城乡环境
科技，2003(1)：16－19．
[29] Tennakoon cl,Vlyssides A G．Removal and Recovery of Heavy Metals
from Dilute Aqueous Streams by Biosorption and Electrolysis
[J] ．Applied Electrochem,1996 , 26:18－29．
[30] 宋显洪，周志鹤．微孔精密过滤机处理重金属废水[J]．有色金属，
2003，55：147－151．
[31] 张建梅．重金属废水处理技术研究进展(综述)[J]．西安联合大学学报，
2003，6(2)：55－59．
[32] 傅伟昌，王继徽．改性天然高分子重金属离子去除剂的研究现状[J] ．
吉首大学学报(自然科学版)，2001，22(3)：86－89．
[33] Kentaky．Ceramic Membranes and Electrosorption Work Together to
Purify Water[J] ． Ceramic Membranes & Electrosoption, 2001, 9, 32．
[34] Bhattacharyya, D. Hestkin. I.A. Brushaber et al． Novel Poly-glutamic
Acid Functionalized Microfiltraion[J]． J. Membranes for Sorption of
Heavy Metals at High Capacity, 1998, (4): 12－135．
[35] B. Van der Bruggrn, A. Koninckx, C. Vandecasteele． Separation of
monovalent and divalent ions from aqueous solution by eletrodiaysis and
nanofiltration[J] ． Water Research, 2004,38: 1347-1353．
[36] Tim Van Gestel a,b, Bart Van der Bruggen a, Anita Buekenhoudt b．
Surface modifivation of - Al2O3/TiO2 multilayer membranes for
applications in non-polar organic solvents[J] ．Journal of Membrane
Science, 2003, 224:3-10．
57
吉林大学 2004 硕士毕业论文
[37] 张景明．回流萃取法提取水中有机物[J]．环境监测管理与技术，2002，
14(2)：24－25．
[38] 金彪，李广贺，张旭．一种经济有效的含油地下水预处理方法—吹脱
法[J]．油气田环境保护，1999，9(1)：12－16．
[39] 马沛，邱红英，米钰．含酚废水的生物处理法[J] ．陕西环境，1998，
5(3)：17－19．
[40] 曾绍琼，谢益民．生物膜法废水处理[J]．广东造纸，1998，(5)：48－
53．
[41] 张建梅，韩志萍，王亚军．重金属废水的生物处理技术［Ｊ］．环境污染
治理技术与设备，2003，4(4)：75-78．
[42] D. Bfattcharyya, J.A. Hestekin, S.M.C. Ritchie ．Functionalised
Membranes Remove and Recover Dissolved Heavy Metals[J]．
Membrane Technology, 1998,(110)： 8－9．
[43] 何少华，娄金生，熊正为等．反渗透系统在饮用水深度处理中的应用
［Ｊ］．南华大学学报（理工版），2003，17(1)：55－58．