基于納米材料的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)與城市污水治理研究

摘要：隨著科技進(jìn)步，納米材料在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其在城市污水治理中發(fā)揮重要作用。詳細(xì)闡述納米材料在水質(zhì)監(jiān)測中的基本原理及其在城市污水治理中的應(yīng)用，包括對監(jiān)測效率和精度的提升、污水處理效果的改善以及對環(huán)保目標(biāo)的支持，同時(shí)探討基于納米材料的水質(zhì)監(jiān)測城市污水治理中的發(fā)展趨勢，為我國城市污水處理提供高效、綠色的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：納米材料；水質(zhì)監(jiān)測；城市污水治理；環(huán)境監(jiān)測；污染控制

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-0-03

Research on Water Quality Monitoring Technology and Urban Sewage Treatment Based on Nanomaterials

JI Xueliang， LIN Cong， LIANG Feifei， ZHAO Xiaoxu， FENG Jingxuan

（Jining Hydrological Center， Jining 272000， China）

Abstract： With the advancement of technology， the application of nanomaterials in water quality monitoring is becoming increasingly widespread， and they play an important role in urban sewage treatment. Elaborate on the basic principles of nanomaterials in water quality monitoring and their application in urban sewage treatment， including the improvement of monitoring efficiency and accuracy， the enhancement of sewage treatment effectiveness， and support for environmental protection goals. At the same time， explore the development trend of nanomaterials based water quality monitoring in urban sewage treatment， and provide an efficient and green technological path for urban sewage treatment in China.

Keywords： nanomaterials; water quality monitoring; urban sewage treatment; environmental monitoring; pollution control

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市污水排放量逐年增加，水質(zhì)污染問題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法存在監(jiān)測周期長、靈敏度低、操作復(fù)雜等不足，難以滿足當(dāng)前城市污水治理的迫切需求。納米材料因其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，以及極高的比表面積和表面能，能夠高效吸附和富集水中的污染物，同時(shí)借助特定的表面修飾和改性，可實(shí)現(xiàn)對特定污染物的選擇性檢測。因此，基于納米材料的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為城市污水治理提供新的解決方案[1]。

1 納米材料在水質(zhì)監(jiān)測中的基本原理

納米材料是指至少在一維尺度上處于納米尺寸（1～100 nm）的材料，獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特性使其在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。例如，石墨烯納米片因其出色的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠在電化學(xué)傳感器中高靈敏度檢測重金屬離子；量子點(diǎn)在特定波長下具有熒光特性，可用于熒光探針技術(shù)，精確識別有機(jī)污染物。納米材料在水質(zhì)監(jiān)測中的作用機(jī)制主要包括吸附、催化和傳感3個方面。

首先，在吸附方面，納米材料如磁性納米顆粒能夠通過靜電作用、范德華力等快速吸附重金屬離子和有機(jī)污染物，吸附效率可達(dá)90%以上。例如，F(xiàn)e3O4納米顆粒在pH值為6～8的條件下，對Pb2+的吸附容量可達(dá)150 mg/g。

其次，在催化方面，納米材料如TiO2納米管陣列通過光催化降解有機(jī)污染物，降解速率常數(shù)可達(dá)0.1 min-1，顯著提升水質(zhì)凈化效果。

最后，在傳感方面，納米材料如金納米顆粒修飾的電極在電化學(xué)傳感器中，通過電化學(xué)信號的變化實(shí)現(xiàn)對Hg2+的痕量檢測，檢測限低至1×10-11。納米材料的復(fù)合技術(shù)如Ag/GO納米復(fù)合材料，結(jié)合銀納米顆粒的抗菌性和石墨烯的高導(dǎo)電性，在多功能傳感器中實(shí)現(xiàn)對多種污染物的同步監(jiān)測，響應(yīng)時(shí)間縮短至秒級，極大提升水質(zhì)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和可靠性[2]。

2 基于納米材料的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)對城市污水治理的影響

2.1 對水質(zhì)監(jiān)測效率和精度的提升

納米材料在水質(zhì)監(jiān)測中顯著提升效率和精度。例如，金屬有機(jī)框架（Metal organic Framework，MOFs）由于其可調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)和電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對水中微量污染物的快速檢測，其檢出限也較低。納米材料的表面修飾技術(shù)借助引入特定官能團(tuán)，增強(qiáng)對特定污染物的選擇性和親和力，進(jìn)一步提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性[3]。

2.2 對城市污水處理效果的改善

納米材料在城市污水處理中的效果改善體現(xiàn)在其高效的吸附和催化降解能力。磁性納米顆粒如Fe3O4因其快速吸附特性，能有效去除水中的重金屬離子和有機(jī)污染物；TiO2納米管陣列借助光催化作用降解有機(jī)污染物，顯著提升水質(zhì)凈化效果?；诩{米材料水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用不僅提高污水處理效率，而且能夠降低二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，為城市污水處理提供更為環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3 納米材料水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)在城市污水治理中的具體應(yīng)用

3.1 重金屬離子檢測

納米材料在重金屬離子檢測技術(shù)方面有著獨(dú)特的應(yīng)用。例如，金納米粒子具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在與特定重金屬離子結(jié)合時(shí)會發(fā)生顏色變化，這一特性可用于定性檢測。根據(jù)研究，當(dāng)汞離子存在時(shí)，金納米粒子會從紅色變?yōu)樗{(lán)色，顏色變化肉眼可辨，檢測限能達(dá)到1×10-11的超低水平。同時(shí)，碳納米管在重金屬離子檢測中有重要應(yīng)用，具有比表面積大和電學(xué)性能良好特點(diǎn)，通過化學(xué)修飾后的碳納米管制成的電極，對鉛離子的檢測靈敏度極高，在特定電解液中，鉛離子濃度與電極電流響應(yīng)呈線性關(guān)系，檢測范圍可達(dá)1×10-10～1×10-7，且線性相關(guān)系數(shù)在0.99以上。納米復(fù)合材料同樣發(fā)揮著重要作用，如石墨烯-硫化物納米復(fù)合材料在檢測鎘離子時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，檢測精度可達(dá)5×10-10以內(nèi)，并且響應(yīng)時(shí)間在5 min以內(nèi)，滿足快速檢測的要求[4]。

3.2 有機(jī)污染物檢測

在有機(jī)污染物檢測領(lǐng)域，納米材料的技術(shù)應(yīng)用多種多樣。量子點(diǎn)是其中重要的一種，量子點(diǎn)具有獨(dú)特的熒光發(fā)射特性。以硫化鎘量子點(diǎn)為例，其發(fā)射波長與粒徑相關(guān)，借助調(diào)整粒徑可實(shí)現(xiàn)對不同有機(jī)污染物的特異性檢測。在檢測多環(huán)芳烴時(shí)，硫化鎘量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨著多環(huán)芳烴濃度的增加而發(fā)生規(guī)律性變化，檢出限可低至1×10-9。MOFs在有機(jī)污染物檢測方面也展現(xiàn)出強(qiáng)大的能力，高度有序的孔道結(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)的孔徑能夠?qū)Σ煌w積的有機(jī)污染物分子進(jìn)行選擇性吸附和檢測。例如，基于鋅的MOFs材料，在檢測苯系物時(shí)，其吸附容量在100 mg/g以上，同時(shí)檢測精度能達(dá)1×10-10級別。納米酶也是新興的檢測技術(shù)材料，納米酶模擬天然酶的活性中心，在檢測有機(jī)農(nóng)藥殘留方面效果顯著。例如，鐵氧化物納米酶，在檢測有機(jī)磷農(nóng)藥時(shí)，根據(jù)底物的水解速率與農(nóng)藥濃度的關(guān)系，可精確檢測出5×10-11以下的有機(jī)磷農(nóng)藥。

3.3 微生物檢測

納米材料在微生物檢測技術(shù)中扮演著重要角色。

一是納米銀材料。納米銀是一種常見的用于微生物檢測的納米材料，具有抗菌性。納米銀抗菌機(jī)制與微生物細(xì)胞膜的相互作用有關(guān)，當(dāng)微生物存在時(shí)，納米銀會與其發(fā)生作用，導(dǎo)致微生物的代謝發(fā)生變化，通過分析微生物代謝產(chǎn)物或者納米銀本身性質(zhì)的改變，來實(shí)現(xiàn)微生物的檢測。例如，在檢測大腸桿菌時(shí)，納米銀會降低大腸桿菌的呼吸鏈相關(guān)酶活性，檢測酶活性的變化可間接檢測大腸桿菌的存在，檢出限為10 CFU/mL。

二是磁性納米粒子。在微生物檢測中也有獨(dú)特的應(yīng)用，磁性納米粒子可與微生物特異性結(jié)合，然后通過外加磁場進(jìn)行分離和富集，便于后續(xù)的檢測。例如，磁性氧化鐵納米粒子在檢測金黃色葡萄球菌時(shí)，能快速將金黃色葡萄球菌從復(fù)雜的樣品中分離出來，再結(jié)合熒光標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行標(biāo)記，檢出限可低至1 CFU/mL。

三是納米光子學(xué)材料。該類材料基于微生物與光的相互作用，如利用表面等離子體共振效應(yīng)制成的傳感器，在檢測酵母菌時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對微生物的實(shí)時(shí)檢測，響應(yīng)時(shí)間在10 min以內(nèi)，檢測精度達(dá)1 CFU/mL。

3.4 城市污水處理

納米材料在城市污水處理技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。

納米二氧化鈦在光催化處理污水方面表現(xiàn)卓越，在紫外線照射下，納米二氧化鈦能夠產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，自由基能夠?qū)⑽鬯械挠袡C(jī)污染物分解為二氧化碳和水。在實(shí)際的城市污水處理廠中，當(dāng)使用納米二氧化鈦處理有機(jī)物濃度在100～500 mg/L的污水時(shí)，經(jīng)過1～2 h的處理，有機(jī)物的去除率可達(dá)80%以上。

納米零價(jià)鐵也是一種有效的污水處理材料，具有很強(qiáng)的還原性，能將污水中的重金屬離子還原為低價(jià)態(tài)，降低其毒性并便于后續(xù)的去除。例如，在處理含鉻污水時(shí)，納米零價(jià)鐵能夠?qū)r6+還原為Cr3+，反應(yīng)速率常數(shù)可達(dá)0.05 min-1，處理后的污水中鉻離子濃度可降低至1×10-10以下。

膜技術(shù)結(jié)合納米材料也是城市污水處理的一種創(chuàng)新方法。例如，納米纖維膜具有孔徑小、比表面積大的特點(diǎn)，在處理污水時(shí)，對懸浮物和大分子有機(jī)物的截留率可達(dá)95%以上，同時(shí)其抗污染性能強(qiáng)，使用壽命長，能夠降低污水處理的成本[5]。

4 城市污水治理中基于納米材料的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 納米傳感器的微型化與集成化

納米傳感器朝著微型化與集成化的方向快速發(fā)展，以適應(yīng)城市污水治理中對高精度、高靈敏度監(jiān)測的需求。微型化技術(shù)大幅縮減納米傳感器體積，如基于碳納米管的微型電化學(xué)傳感器，其尺寸已可縮小至微米級別，同時(shí)保持對重金屬離子的高靈敏度檢測，檢出限低至納克級別。集成化方面，將多個納米傳感器單元集成至單一芯片上，形成多功能傳感器陣列，能同時(shí)監(jiān)測水中多種污染物，如重金屬、有機(jī)污染物及微生物。

4.2 智能化與自動化監(jiān)測系統(tǒng)

智能化與自動化監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，為城市污水治理提供高效、實(shí)時(shí)的解決方案。借助集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，納米傳感器能夠?qū)崟r(shí)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)至云端平臺，利用大數(shù)據(jù)分析算法，自動分析水質(zhì)變化趨勢，并預(yù)測潛在污染事件。例如，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的自動監(jiān)測系統(tǒng)，能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，識別不同污染物濃度變化模式，當(dāng)水質(zhì)異常時(shí)，該系統(tǒng)能立即發(fā)出預(yù)警，并推薦相應(yīng)的處理措施。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢在于其遠(yuǎn)程操控能力，操作人員可通過手機(jī)或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)整傳感器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測，同時(shí)結(jié)合無人機(jī)巡檢技術(shù)，可監(jiān)測人工難以到達(dá)區(qū)域的水質(zhì)情況，進(jìn)一步拓寬監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測效率。

4.3 多功能復(fù)合納米材料的發(fā)展

多功能復(fù)合納米材料是水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的創(chuàng)新方向，將多種功能集于一體，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的水質(zhì)監(jiān)測。例如：結(jié)合磁性納米顆粒的吸附能力與量子點(diǎn)的熒光特性，開發(fā)出既能快速吸附污染物又能熒光標(biāo)記的復(fù)合納米材料，同時(shí)能提高監(jiān)測靈敏度并簡化操作步驟；多功能復(fù)合材料是納米酶與MOFs的復(fù)合，利用納米酶的催化活性與MOFs的選擇性吸附，實(shí)現(xiàn)對特定污染物的快速檢測與去除。這類復(fù)合材料在復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

5 結(jié)論

納米材料在水質(zhì)監(jiān)測與城市污水治理中展現(xiàn)出巨大潛力，具有高比表面積、獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)等特性，為實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的水質(zhì)監(jiān)測和污水處理提供有力支持。未來，隨著納米傳感器的微型化與集成化、智能化與自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及多功能復(fù)合納米材料的不斷發(fā)展，納米材料在城市污水治理中的應(yīng)用將更加廣泛和深入，有望為城市水環(huán)境的改善和可持續(xù)發(fā)展提供更加高效、綠色的技術(shù)解決方案。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-12-30

作者簡介：紀(jì)學(xué)良（1987—），男，山東濟(jì)寧人，碩士，助理工程師。研究方向：水文與水資源工程。