题目纳米材料在环境治理的应用

1、题目 纳米材料在环境治理的应用摘要 随着工业的不断发展，环境污染日益严重，传统废水、废气处理工艺、方法已不能满足需要。 法律制定和新材料的研制刻不容缓。光催化反应的应用研究已在有机物降解、水质处理、环境保护等领域广泛展开, 利用日光进行光催化反应是光催化反应应用研究的重要课题。光催化技术为彻底解决水污染问题提供了新的手段。纳米二氧化钛是目前最受人们关注的光催化剂之一。本文介绍了纳米技术在废水处理、大气环境控制和固体废弃物处理中的应用进展情况,并对其应用前景作了展望。全球性的环境污染及生态破坏, 许多有毒有害的有机污染物被水体和土壤自净的速度很慢而净化不彻底,

2、60;并且在水体中存在时间长、范围广, 对人类潜在影响很大, 如许多有机物或其降解的中间产物具有致癌、致畸、致突变三致性, 这些有机污染物采用传统的生物处理工艺已难以去除.迫使人们对环境问题给以足够的关注, 并研究和开发出一系列用于环境污染物治理的新技术和新方法,光催化技术作为其中一种新兴的环境净化技术,其实用化的研究和开发已受到广泛的重视。1 关键词 环境保护  纳米技术 二氧化钛  现状 展望 大气污染  水污染 固体废弃物污染正文 众所周知，在整个自然生态系统中，人类仅

3、仅是其中一环。然而，随着经济和科技的发展，人类社会的不断地进步，人类在整个自然生态系统中的影响范围和程度越来越深远。在理性主义和人类中心等价值观和科技进步的双重影响下，人类活动在征服自然的过程中对资源的使用和对生态环境的破坏也达到空前的程度，引发了一系列环境问题。例如当今威胁人类的十大生态环境问题有：人口膨胀、能源危机、大气污染、臭氧层的破坏、生物资源急剧减少、全球变暖、森林减少、土地荒漠化与水土流失、水污染与水资源短缺、危险性废物越境转移。制定了相关法律法规我国大气污染防止法律法规有：1956年5月25日国务院公布的关于防止厂矿企业中矽尘危害的决定，70年代工业“三废”排放试行标准、工业企业

4、设计卫生标准，80年代以来大气环境质量标准、锅炉烟尘排放标准、汽油车怠速污染物排放标准、钢铁工业污染物排放标准、核电厂环境辐射防护规定，汽车排气污染监督管理办法1990、87年颁布大气污染防治法、大气污染防治法实施细则。国务院和地方各级人民政府在大气污染防治中总的职责：必须将大气环境保护工作纳入国民经济和社会发展计划。必须合理规划工业布局。“预防为主”，从源头治理大气污染。必须加强大气污染防治的科学研究。必须采取防治大气污染的措施，保护和改善大气环境。如煤炭洗选加工、改进城市燃料结构、推广高标号无铅汽油等。采取有利于大气污染防治及相关的综合利用活动的经济、技术政策和措施。各级人民政府应当加强植

5、树造林、城市绿化工作。水污染防止的法律规定：生活饮用水卫生标准（试行）、渔业水质标准（试行）、农田灌溉水质标准（试行）；2、1984年水污染防治法（1996年修改）；3、1989年水污染防治法实施细则（2000年修改），污水综合排放标准等。防治固体废物污染环境的法律规定：1、72年海洋倾废公约；2、85年关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定 ；3、89年控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公约等；4、91年防治含多氯联苯电力装置及其废物污染环境的规定；5、92年防治尾矿污染环境管理规定 ；6、92年关于防治铬化合物生产建设中环境污染的若干规定；7、92年城市市容和环境卫生管理条例；8、93年

6、城市生活垃圾管理办法；9、95年固体废物污染环境防治法；10、96年关于进一步开展资源综合利用的意见。防止海洋污染损害的法律规定：1974年颁布防止沿海水域污染暂行规定；1982年颁布海洋环境保护法（1999年修改）；为实施该法，国务院先后颁布了；防止船舶污染海域管理条例；海洋石油勘探开发环境保护管理条例；海洋倾废管理条例；防止拆船污染环境管理条例；防治陆源污染物污染损害海洋环境管理条例；防治海岸工程建设项目污染损害海洋环境管理条例等，1982年以来，还发布了海水水质标准、船舶污染物排放标准、海洋石油开发工业含油污水排放标准、渔业水质标准、景观娱乐用水水质标准等海洋环境保护的国家标准，海洋调查

7、规范、海洋监测规范等海洋环境保护规范。先后加入了国际防止船舶污染公约和联合国海洋法公约等国际海洋环境保护公约。环境噪声污染防止的法律规定：1、城市区域环境噪声标准（1982）；2、中国人民解放军空军关于减轻飞机噪声的影响的通知；3、民用机场管理规定（86）；4、环境噪声污染防治条例（89年）5、中华人民共和国环境噪声污染防治法（96年）等。工业噪声污染防治的规定：达标排放。环境噪声排放申报登记制度。偶发性强烈噪声排放的申请和公告制度。确需排放须事先向当地公安机关提出申请，批准后方可进行。当地公安机关应当向社会公告。防治有毒化学品污染物的法律规定：1987年国务院颁布化学危险物品安全管理条例、1

8、991年国家环保局、能源部发布防止含多氯联苯电力装置及其废物污染环境的规定。7、1992年化工部，国家境保局发布了关于防治铬化合物生产建设中环境污染的若干规定。8、1993年国务院经济贸易办公室、卫生部发布关于停止生产和销售萘丸的通知，9、1994年，国家环保局、海关总署、对外贸易经济部发布了化学品首次进口及有毒化学品进出口环境管理规定。10、联合国环境署87年关于化学品国际贸易资料交流的伦敦准则(93年参加)。11、2003年4月1日环保总局新化学物质环境管理办法；10月15日实施。防止放射性污染的法律规定：74年放射防护规定，86年民用核设施安全监督管理条例，84年核电站基本建设环境保护管

9、理办法，87年城市放射性废物管理办法，89年放射性药品管理办法和放射性同位素与射线装置放射防护条例，90年放射环境管理办法等。中华人民共和国放射性污染防治法于2003年6月28日通过，自2003年10月1日起施行。 农药污染防止的法律规定：55年关于严防农药中毒的联合通知，82年农药安全使用规定和农药登记规定农药登记规定实施细则，84年农药安全使用标准和农药合理使用准则等，96年，农业部、国家环境保护局，国家工商行政管理局等五个部门联合发出通知，严禁在蔬菜生产中使用高毒，高残留农药，防止有毒有害蔬菜进入市场，以确保人民食菜安全。97年农药管理条例，1999年4月27日农业部农药管理条例实施办法

10、，2002年6月18日 农业部农药限制使用管理规定。现在环境问题已经威胁到人类的生存和发展，因此，环境保护也应该成为全世界人必须共同关注的话题。为了人类社会的持续进步和人类后代的生存，人类必须要坚持可持续发展，而为了实现可持续发展我们可以利用充分开发清洁能源，节能减排，利用绿色材料，崇尚低碳生活等方法。其中，随着纳米材料的悄然崛起，纳米技术在环境保护方面的应用也越来越多，人类利用资源和保护环境的能力也得到拓展。为彻底改善环境和控制新的污染源产生, 纳米材料为其提供了技术支持。关于环境材料 有关环境材料目前国际上还没有统一的说法，归纳起来可分为以下十类：节约能源、节约资源、可重复使用、

11、可循环再生、结构可靠性材料、化学稳定性、生物安全性、有毒有害替代、舒适性、环境材料的合成与加工工艺等几个方面。 下面简单对环境工程材料的几个方面作介绍： 1、环境净化材料，环境净化材料包括水污染控制材料，大气污染控制材料等其他的环境控制材料。 （1）、水污染控制材料 常用的废水处理方法可分为以下3类：分离处理，即通过各种外力的作用使污染物从废水中分离出来，通常在分离过程中并不改变污染物的化学性质；转化处理，即通过化学或生化的作用，改变污染物的化学性质，使其转化为无害物或可分离的物质，再经分离处理予以除去；稀释处理，即将废水进行稀释混合，降低污染物的浓度，

12、减少危害。针对不同的水处理方法，开发了不同用途的环境工程材料。目前，用于废水分离工艺的主要包括用于过滤、吸附的滤料、吸附剂、膜分离材料等；用于废水生化处理的主要有用于固定微生物的金属或陶瓷载体；用于废水化学处理的主要有高效率并且不产生二次污染的各种催化剂，如二氧化钛光催化剂等。 利用吸附剂的物理吸附、离子交换、络合等特点，能够去除水中的各种金属离子，主要用于处理含重金属元素的废水。此外，物理吸附还能够吸附水中的颗粒物以及部分有机污染物。吸附剂的开发主要考虑其吸附效率、选择性、成本等性能。天然沸石由于来源广泛、处理效果好、不产生二次污染等优点，目前已逐渐替代传统的活性炭吸附剂成为主要的

13、水处理吸附剂。利用天然沸石作为基体，在分子尺度范围内可控地破坏孔洞结构，进行造孔，制得了一种新型介孔复合吸附材料。 近年来有很多关于改性多聚糖吸附剂的研究，由淀粉、糊精、壳素等天然生物质中提取多聚糖，制备交联多聚糖吸附剂的研究。沉淀分离方法也是水处理中经常使用的分离工艺。治理水污染的沉淀分离工艺过程用材料，包括用于絮凝沉淀的絮凝剂和化学沉淀的沉淀剂2种。高铁酸盐絮凝剂是水处理中已广泛使用的絮凝剂，能够有效降解有机物，去除悬浮颗粒及凝胶，其瓶颈在于产率比较低，前处理工艺对其治理效果有一定的影响。因此，研究主要集中在改善制备工艺、提高产率以及产物的稳定性、寻找替代次氯酸盐以及氯化物的氧化

14、剂等方面。 市政生活污水通常采用生化处理工艺。固定化微生物技术是使用化学或物理的方法将游离细胞定位于材料的限定空间中，并使其保持生物活性且可反复利用的生物技术。这种水处理方法具有生物浓度易控制、耐毒害能力强、菌种流失少、产物易分离、运行设备小型化等特点，但是固定化材料性能的不足限制了其应用。利用粘土矿为主要原料，添加适当的膨胀剂并用纳米材料进行改性，控制适当的烧制工艺，研制出了一种新型的水处理填料纳米改性陶粒，在达到相同处理效率的条件下，水力负荷提高了14.3%，出水水质好，运行稳定 （2）、大气污染控制材料 目前，治理大气污染通常使用吸附法、吸收法和催化转化法。

15、相应的大气污染控制材料包括吸附剂、吸收剂和催化剂，主要应用于工厂、住宅区锅炉等固定源与机动车等活动源排放的气体污染物的净化。稀土汽车尾气净化催化剂是近年来发展起来的一类重要的环境工程材料，它能够在一定条件下催化大气中的有害气体成分，如NOx、CO、CH等转化为N2和CO2。汽车尾气的净化催化剂通常采用铂、钯、铑等贵金属作为主要的活性组分。近年来，为了节约贵金属资源，开始研究利用过渡金属、稀土元素部分替代或全部替代贵金属，进行汽车尾气净化处理，取得了很好的效果。 目前，这方面的研究热点主要集中在减少贵金属用量、提高催化效率以及催化剂稳定性等方面。作为稀土催化剂载体的多孔蜂窝陶瓷近年来也

16、成为研究的热点。 二氧化钛光催化剂的研究近年来成为材料科学研究的热点之一，由于其化学性能稳定、无毒、价廉以及光催化活性高而引起了广泛的重视。利用Sol-Gel、磁控溅射2种方法分别制备了锐钛矿相的纳米TiO2粉末和固定化的薄膜，研究了微观结构对光催化性能的影响及催化机理。在此基础上提出了利用离子注入和纳米镶嵌改变材料的能带结构，从而达到提高TiO2光催化活性的目的。近年来，TiO2光催化剂的多种类型的产品陆续出现，如自清洁玻璃、卫生洁具等。根据研究，超声波对二氧化钛光触媒可起到催化作用，从而促使二氧化钛激发液体成分发生变化，释放出杀菌成分。将大肠杆菌加入纳米二氧化钛水溶液，经超声波作

17、用75 min，杀灭率可达到100%。 室内环境污染也是大气污染的一种，污染源主要是外界大气、房基或家居中的化工涂料、染料等。近年来利用TiO2光催化剂【13】将空气中的有机物分解为CO2、H2O和相应无机酸，日益成为国内外研究的热点。载人航天器座舱内的空气净化主要采用生物空气过滤器BAF（Biological Air Filter）【14】。最初，这种过滤器主要采用的基质是土壤，后来用一些质量更轻、孔隙度和比表面积更大的天然有机物质如堆肥、树皮、泥炭等。这种生物空气过滤器比起物理/化学的方法，如化学清洗、吸附和催化转化等的费用要廉价得多，但是只适用于低

18、浓度污染物的室内空气净化。 沸石和活性炭纤维良好的吸附性能也可以应用于处理废气和净化空气。例如，沸石对于大气中的碳氢化合物、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氢等具有良好的吸附、净化功能，可用于汽车尾气净化剂。在二氧化硫烟气净化方面，开发出了离子交换树脂吸附型净化材料以及利用稀土氧化物材料作为催化剂的干法脱硫。离子交换树脂是以丙烯、苯乙烯为原料，经交联悬浮共聚，制成多孔柱状树脂，再经碳化处理而得到的。稀土氧化物CeO2是非常有应用前景的新型吸收剂，能够在很宽的范围内与SO2反应，而且在适当的条件下可再生，可以使吸收剂产生的废气转化为硫。作为潜在的吸收剂CeO2可以同时脱去烟气中的二氧化硫和氮

19、氧化物，其脱氮和脱硫效率都大于90%，目前此类研究正处于实验室阶段。 2、环境修复材料，环境修复指对已破坏的环境进行生态化治理，恢复被破坏的生态环境。常见的环境修复材料有防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料以及臭氧层修复材料等。 （1）、固沙制备材料 大力防治土地沙漠化和荒漠化是实现社会和国民经济可持续发展的一个重要问题。研制、开发新型固沙植被材料，保持水土、减缓沙漠化是生态环境材料工作者义不容辞的责任。目前的固沙植被材料主要有两大类：一类是高吸水性树脂，另一类是高分子乳液。目前，这些材料主要用于沙漠与荒漠化地区交通干线沿线的护路以及荒坡固定等。技术已经

20、成型的固沙剂具有固结速度快、强度高、无毒害、易于操作等优点，但通常成本较高。 (2)其他环境修复材料 全球气候变暖、温室效应加强，是各国政府目前密切关注的环境问题之一。如采取积极的措施，将CO2转化为其他有用的材料，是控制CO2排放、治理气候变暖的一个重要途径。日本研制的用于保护臭氧层的转化氟利昂的新型催化剂，以及用CO2作原料来生产甲醇的技术是2个典型的例子。前者可大大降低臭氧层的破坏程度，使人们免遭紫外线照射之苦，而后者则可有效地降低CO2所产生的温室效应。它们都可改善人类居住的环境，同时还可带来巨大的经济效益。 随着全球性生态环境的恶化，环境修复材料在未来将

21、遇到更大的机遇与挑战。温室效应、臭氧层空洞、POPs污染等重大环境问题，无一不是依靠材料科学与技术的进步才能够解决的。开发新型材料是今后发展的主要思路，如从各式各样的废弃物中提取有用成分制备可降解的固沙材料，既降低了成本，又可有效地解决废弃物的处理问题。总之，环境工程材料必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。四、 环境材料的发展趋势 就目前状况而言，城市建筑不断增多，人们汽车拥有量不断加大，环境材料的发展已成必然，合金材料将向着耐热材料、超低温结构材料、轻质耐久性材料方向发展；开展更多的绿色化工产业，实现“原子经济性”采用3R方法，减量化，再生利用和再循环利用等，并将构建绿

22、色制造数据库形成完整的绿色生态加工体系。一、纳米技术及其特性    纳米技术是指1100nm尺度范围内的科学技术，研究尺度界于原子、分子与宏观物体之间的规律和特征，当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成“纳米材料”，纳米材料通常以其表面原子数占总原子数比例大，还有显示量子尺寸效应这两个重要特点而影响其各种物理和化学性能, 使纳米颗粒具有独特的性质。不仅光、电、热、磁性发生变化，而且具有辐射、吸收、催化等许多新特性。因而在许多方面有着广阔的应用前景。由于纳米材料具有的特殊性能使得它在水处理和大气处理中有着广泛的应用。光催化氧化法处理、净化受污染体的方

23、法是一种高级氧化技术, 对许多有毒有害的有机污染物的处理均显示出其独特的优势, 如氧化降解水体中不饱和有机化合物、芳烃、卤化烃、芳香类化合物、杂环化合物、染料、表面活性剂有机氮磷农药等. 光催化能将难降解有机污染物氧化、分解, 直至H2O、CO2和无机盐等, 使有机物部分或完全矿物质化( 矿化) , 从而达到污染物无害化处理的要求.目前,用于光催化降解环境中污染物的催化剂多为N型半导型材料, 如T iO2、ZnO、CdS、WO3、SnO、Fe2O3 等, 其中TiO2

24、0;因其活性高、稳定性好, 对人体无害而成为最受重视的一种光催化剂。实验表明, T iO2 至少可以经历12 次的反复使用而保持光分解效率基本不变, 连续580 分钟光照下保持其活性, 因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。2、 TiO2 光催化净化机理及优势   显著优势:(1)  以太阳光为最终要求的辐射能源，把太阳能转化为化学能加以利用。太阳光，是取之不尽、用之不竭的，因此大大降低了处理成本，是一种节能技术。 (2) 光激发空穴产生的&#

25、183;OH 是强氧化自由基，可在较短时间内成功分解水中难降解有机物在内的大多数有机物，它还能分解水中微量有机物，因此是一种普遍实用的高效处理技术。 (3) 半导体光催化技术具有稳定性高、耐腐蚀、无毒的特点，并且在处理过程中不产生二次污染，从物质循环的角度看，有机污染物能被彻底无机化，因此是一种洁净的处理技术。 (4)对环境要求低，对pH 值、温度等没有特殊要求。 (5) 处理负荷没有限制，即：可以处理高浓度废水，也可以处理轻微污染水源水。在水污染物治理中的应用 案例：2006长江淡水豚中外联合考察队经历了39天长

26、江航行后遗憾宣布，来回近3400公里考察未发现一头白鳍豚，这个结果证明白鳍豚种群状况极度濒危，可能成为世界上第一个被人类消灭鲸类动物。白鳍豚是仅生存中国长江中下游珍稀水生哺乳动物，属国家一级保护动物，被列为世界最濒危12种动物之一。白鳍豚5岁6岁性成熟，1年怀胎，一年哺乳，一胎一仔，习惯以小家庭形式生活。这一消息让人感到恐惧，如果再不好好地治理长江，好好地治理水污染，会有更多的物种灭绝。 长江生态恶化，是沿江经济布局不合理恶果。据统计，全国两万多家化工企业，分布长江沿岸就有9000多家，占全国45%。三峡库区大中型工矿企业3000多家，化工厂有2000多座。这些化工企业污染严重，为发

27、生重大污染事件埋下严重隐患，一旦发生污染事故，后果不堪设想。随着人口的增加和工农业生产的增长，人类的用水量大大增加，排污量也空前猛增，水污染非常严重，加剧了水资源危机的程度。当前，全球80多个国家的15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态，所以保护水资源,节约用水势在必行。污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等，污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。而纳米技术在水污染治理方面也有突出表现。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质，它们从污水中流失，也是资源的浪费

28、。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍。所以，纳米技术在污水处理的很多领域都起到重要作用。(1) 有机废水的降解处理 TiO2 光催化反应能有效地将染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等废水中的有机物降解为H2O、CO2、PO43- 、SO42- 、NO3- 、卤素离子等无机小分子, 达到完全无机化的目的。大量研究表明纳米TiO2等作为光催化剂，在阳光下催化氧化水中的有机污染物，使其迅速

29、降解。至今为止己知纳米TiO2能处理80余种有毒污染物，它可以将水中的各种有机物很快完全催化氧化成水和CO等无害物质。例如纳米RuTiO2作催化剂，对酸性或碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机总碳的去除率可达到996，并使废水完全脱色。经光催化空气氧化处理后的工厂废水对弧菌的毒性的实验表明，用该方法处理后的工厂漂白废水完全可以进一步生物降解。此外，用纳米TiO2催化降解技术来处理毛织染整废水，具有省资、高校、节能的优势，最终能使有机物完全矿化，不存在二次污染等问题，显示出良好的应用前景 (2) 无机废水的处理 许多无机物在TiO2 表面也具有光

30、化学活性。利用T iO2 催化剂的强氧化还原能力, 可以将污水中汞、铬、铅以及氧化物等降解为无毒物质。Ser pone 等报道了用T iO2 光催化法从Au( CN) -4 中还原Au, 同时氧化CN- 为NH3 和CO2的过程, 该法用于电镀工业废水的处理, 不仅能还原镀液中的贵金属, 而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染, 是一种有实用价值的处理方法。二、纳米材料在大气污染治理方面的应用 大气污染一直都是各国政府

31、需要解决的难题，空气中超标的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物是影响人类健康的有害气体。在我国，“大气污染导致每年有30到70万人因烟尘污染提前死亡，2500万儿童患慢性咽炎，400万到700万农村妇女儿童受害。”纳米TiO2作为一种极强的光催化剂,使得利用太阳光这种最清洁的能源来分解环境中的污染性物质成为了可能.因此,在涂料中加入纳米TiO2、ZnO、CaCO3、SiO2及碳黑等作为颜填料或助剂,除了可以显著提高涂膜的机械强度、防腐性能、耐光性和耐候性外,还可利用纳米半导体的强光催化活性降解空气中的污染物.研究表明,纳米TiO2对NOx、甲醛、甲苯等污染物的降解效果几乎可达到100%.其对大气中的NOx的净化机理如图1所示4酸雨是大气污染的一种重大表现。世界目前已有三大酸雨区，给人类环境带来了多方面的不良影响，如土壤酸化与贫瘠化，作物减产，余