《环境工程概论》论文：纳米技术与环境保护

1、PAGE 11 -环境工程概论论文：纳米技术与环境保护纳米技术( Naanottechhnollogyy )是是指在纳纳米（00.11000 nmm）尺度度范围内内研究物物质的特特性及其其相互作作用和运运动的规规律，并并利用这这些特性性为人类类服务的的技术，包包括纳米米材料和和纳米结结构两个个方面。目目前发展展较为成成熟的应应用技术术主要有有：纳米米材料、纳纳米药物物、纳米米机械、纳纳米微电电子器件件等。被被称之为为21世世纪前沿沿科学的的纳米材材料和纳纳米技术术将对环环境保护护产生深深远的影影响，有有着广泛泛的应用用前景，甚甚至会改改变人们们的传统统环保观观念利利利用纳米米材料和和纳米技技术

2、解决决污染问问题将成成为未来来环境保保护发展展的必然然趋势。一、噪声污污染控制制飞机、车辆辆、船舶舶等发动动机工作作的噪声声可达到到上百分分贝，容容易对人人造成危危害，但但当机器器设备等等被纳米米技术微微型化以以后，其其互相撞撞击、磨磨擦产生生的交变变机械作作用力将将大为减减小，噪噪声污染染可得到到有效控控制。运运用纳米米技术开开发的润润滑剂，既既能在物物体表面面形成永永久性的的固态膜膜，产生生极好的的润滑作作用，可可以大大大降低机机器设备备运转时时的噪声声，又能能延长它它的使用用寿命。纳米粒子的的抗摩减减摩机理理主要通通过以下下3条途途径实现现：1类似“微微轴承”作作用，减减少摩擦擦阻力，降

3、降低摩擦擦系数；2在摩擦擦条件下下，纳米米微粒在在摩擦副副表面形形成了一一个光滑滑保护层层；3填充摩摩擦副表表面的微微坑和损损伤部位位，起修修复作用用。 纳米微微粒添加加剂的作作用机理理不同于于传统添添加剂，与与其本身身所具有有的纳米米效应有有在摩擦擦过程中中，因摩摩擦表面面局部温温度高，尤尤其在高高负荷下下，纳米米微粒极极有可能能处于熔熔化、半半熔化或或烧结状状态，从从而形成成一层纳纳米膜。另另外纳米米微粒具具有极高高的扩散散力和自自扩散能能力(比体相相材料高高十几个个数量级级)，容易易在金属属表面形形成具有有极佳抗抗摩性能能的渗透透层或扩扩散层，表表现出“原位摩摩擦化学学原理”(In-si

4、ttu ttribbochhemiicall trreammentt)。这这种机理理认为，纳纳米添加加剂，尤尤其在高高负荷条条件下它它们的润润滑作用用不再取取决于添添加剂小小的元素素是否对对于基体体是化学学活性的的，而很很大程度度上决定定于它们们是否与与基体组组分形成成扩散层层或渗透透层和固固溶体。纳纳米添加加剂的这这一性能能，解决决了润滑滑油和燃燃油添加加剂设计计上长期期依赖SS、P、Cl等活活性元素素的状况况，同时时解决了了S、P、Cl对基基体金属属造成的的腐蚀和和带来的的环境问问题。二、固体废废弃物处处理纳米技术及及材料应应用于固固体废弃弃物处理理，其优优越性主主要体现现在以下下两个方方

5、面：首先，纳米米级处理理剂降解解固体废废弃物的的速度快快。例如如，纳米米TiOO2降解解固体废废弃物的的速度为为常规TTiO22的100倍。纳纳米TiiO2具具有很强强的散射射和吸收收紫外线线的能力力，尤其其是对人人体有害害的中长长波紫外外线UVVA、UUVB(3200-4000nmm，2990-3320nnm)的的吸收能能力很强强，效果果比有机机紫外吸吸收剂强强得多，并并且可透透过可见见光，因因其无毒毒无味、无无刺激性性而广泛泛用于化化妆品。在在对日本本销售的的37种种防晒化化妆品的的分析中中，发现现其中大大多数均均含有纳纳米TiiO2。英英国Tiioxiide公公司将超超微细的的TiOO2

6、粉末末制成浆浆状产品品以供化化妆品厂厂家使用用，美国国也开发发出了66种商品品化的无无机防晒晒剂。将将纳米TTiO22应用于于涂料中中可制成成特殊的的防紫外外线产品品，如汽汽车、轮轮船面漆漆的防老老化剂，防防紫外线线伞等。其次，利用用纳米技技术可以以将橡胶胶塑料制制品、废废旧印刷刷电路板板制成超超细粉末末，除去去其中的的杂质，将将其作为为再生原原料回收收。在日日本将废废橡胶轮轮胎制成成粉末用用于铺设设运动场场、道路路以及新新干线的的路基等等。因此，纳米米技术可可在很大大程度上上缓解固固体废弃弃物给环环境带来来的巨大大的压力力也可以以减轻填填埋等传传统方式式所带来来的二次次污染。 三、污废水水处

7、理方方面纳米过滤技技术纳米过滤（NNanoo Fiiltrratiion，NNF）是是一种由由压力驱驱动的新新型膜分分离过程程，介于于反渗透透与超滤滤之间。纳纳滤膜的的孔径范范围在纳纳米级，其其相对分分子质量量截留范范围为数数百。纳纳滤的特特点：一一是在过过滤分离离过程中中，它能能载留小小分子的的有机物物并可同同时透析析出盐，即即集浓缩缩与透析析为一体体；二是是操作压压力低，因因为无机机盐能通通过纳滤滤膜而透透析，使使得纳滤滤的渗透透压远比比反渗透透低。纳纳滤在工工业生产产过程中中资源的的回收或或工业废废水的处处理和循循环中有有着重要要的作用用。自清洁涂料料 最近发发现，TTiO22在紫外外光

8、照射射条件下下，表面面结构发发生变化化而具有有超亲水水性，停停止紫外外光照射射，数小小时或77d后又又回到疏疏水性状状态，再再用紫外外光照射射，又表表现出超超亲水性性。采用用间隙紫紫外光照照射，可可使表面面始终保保持超亲亲水性状状态。此此特性可可用于表表面防雾雾及自清清洁等方方面。镀镀有TiiO2的的表面因因为其超超亲水性性，使油油污不易易附着，即即使有所所附着，也也是和外外层水膜膜结合，在在外部风风力、水水淋冲及及自重作作用下能能自动从从涂层表表面剥离离，从而而达到防防污和自自清洁的的目的。将将TiOO2的光光催化性性能和超超亲水性性结合应应用于玻玻璃、陶陶瓷等建建筑材料料，在医医院、宾宾馆

9、和家家庭中具具有广阔阔的应用用前景。四、纳米光光催化技技术 光催化降解解是一项项新兴的的颇有发发展前途途的废水水处理技技术，它它是指污污染物在在光照下下，通过过催化剂剂实现分分解。常常用的光光催化剂剂有TiiO2，ZZnO，CCdS，SSnO22，Fee2O33等。纳纳米颗粒粒由于具具有常规规颗粒所所不具备备的纳米米效应而而具有更更高的催催化活性性。光催化消毒毒剂 纳米米TiOO2经光光催化产产生的空空穴和形形成于表表面的活活性氧类类能与细细菌细胞胞或细胞胞内的组组成成分分进行生生化反应应，使细细菌头单单元失活活而导致致细胞死死亡，并并且使细细菌死亡亡后产生生的内毒毒素分解解。实验验结果表表明

10、，将将TiOO2涂覆覆在玻璃璃、陶瓷瓷表面，经经室内荧荧光灯照照射1hh后可将将其表面面99%的大肠肠杆菌、绿绿脓杆菌菌、金色色葡萄球球菌杀死死。这种种瓷砖若若用于医医院，则则覆着于于墙面上上的细菌菌数和空空气中的的浮游菌菌数明显显下降；若用于于卫生间间，则可可明显降降低氨气气浓度。日日本最近近开发出出用于TTiO22覆被的的抗菌陶陶瓷，在在光照下下可完全全杀死其其表面的的细菌。最最近福州州大学也也研制出出坚固的的掺杂TTiO22膜的陶陶瓷材料料，对大大肠杆菌菌和空气气中的浮浮游菌具具有稳定定的杀灭灭作用和和抑制细细菌生长长的能力力。近年年来不断断研究开开发出含含有超细细TiOO2，ZZnO等

11、等微粉的的抗菌除除臭纤维维，不仅仅用于医医疗，而而且还可可制成抑抑菌防臭臭的高级级纺织品品、衣服服、围裙裙及鞋袜袜等。自自19776年CCaryy J.H.等等人报道道了在紫紫外光照照射下，纳纳米TiiO2可可使难降降解的有有机化合合物多氯氯联苯脱脱氯的光光催化水水处理技技术后，引引起了各各国众多多研究者者的普遍遍重视。迄迄今为止止，已经经发现有有30000多种种难降解解的有机机化合物物可以在在紫外线线的照射射下通过过纳米TTiO22或ZnnO而迅迅速降解解，特别别是当水水中有机机污染物物浓度很很高或用用其他方方法很难难降解时时，这种种技术有有着明显显的优势势。美国国、日本本、英国国等已有有将

12、纳米米TiOO2光催催化技术术实际应应用于水水处理的的报道。五、纳米吸吸附材料料由于纳米材材料所具具有的表表面效应应，使纳纳米材料料具有高高表面活活性、高高表面能能和高比比表面积积，所以以纳米材材料在制制备高性性能吸附附材料方方面表现现出巨大大的潜力力。一种种新型的的纳米级级净水剂剂具有很很强的吸吸附能力力。它的的吸附能能力和絮絮凝能力力是普通通净水剂剂三氯化化铝的110220倍。因因此，它它能将污污水中悬悬浮物完完全吸附附并沉淀淀下来，先先使水中中不含悬悬浮物，然然后采用用纳米磁磁性物质质、纤维维和活性性炭净化化装置，能能有效地地除去水水中的铁铁锈、泥泥沙及异异味等。经前两道净化工序后，水体

13、清澈，没有异味，口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以100%除去水中的细菌、病毒，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。据李明等报道，某公司采用纳米材料用于污水处理净化剂、絮凝剂和杀菌消毒剂中，这些纳米材料形成的多元复合新型超高效水处理剂，不仅治污效果好，而且缩短了工艺流程、降低了药剂费用。（一）纳米米材料在在空气净净化中的的应用纳米材料在在处理空空气污染染方面有有广阔的的应用前前景，因因其具有有较小的的颗粒尺尺寸，而而且纳米米微粒表表面形态态随着粒粒径的减减小，表表面光滑滑程度变变差，形形成了凹凹凸不平平的原子子台阶，从从而起到到以下三三

14、个方面面的作用用：1）提提高反应应速度，增增加反应应率；22）决定定反应路路径，良良好的选选择性；3）降降低反应应温度。1二氧化化碳排放放的控制制二氧化碳减减排方面面目前有有5种技技术选择择：选择择新的能能源、提提高能源源效率、二二氧化碳碳固定、二二氧化碳碳分离以以及二氧氧化碳利利用。而而在技术术层面，主主要是采采用新的的生产工工艺和新新型的催催化剂，以以提高反反应效率率。例如如，用燃燃煤发电电产生的的二氧化化碳合成成液体车车用燃料料降低二二氧化碳碳排放的的Carrnoll工艺，就就是采用用了纳米米结构的的甲醇合合成催化化剂，取取得了很很好的效效果。2空气中中硫氧化化物的净净化纳米技术的的催化

15、效效率极高高。经它它催化的的石油中中硫的含含量小于于0.001%。在在燃料燃燃烧的同同时加入入纳米级级催化剂剂不仅可可以使煤煤充分燃燃烧, 不产生生一氧化化硫气体体, 提提高能源源利用率率, 而而且会使使硫转化化成固体体的硫化化物。 3汽车尾尾气净化化纳米级催化化剂用于于汽车尾尾气催化化，有极极强的氧氧化还原原性能，使使汽油燃燃烧时不不再产生生一氧化化硫和氮氮氧化物物，根本本无需进进行尾气气净化处处理。而而用纳米米复合材材料制备备与组装装的汽车车尾气传传感器, 通过过汽车尾尾气排放放的监控控, 可可及时对对超标排排放进行行报警, 并通通过调整整合适的的空燃比比, 减减少富油油燃烧，达达到降低低

16、有害气气体排放放和燃油油消耗的的目的。纳纳米稀土土钛矿型型复合氧氧化物对对汽车尾尾气所排排放的NNO，CCO 等等具有良良好的催催化转化化作用, 可以以替代昂昂贵的重重金属催催化剂用用作汽车车尾气催催化剂。将将合成的的纳米介介孔结构构的碳分分子筛应应用于催催化柴油油的吸附附改质，也也具有非非常优越越的性能能。3.1汽车车尾气净净化催化化剂最新研究成成果表明明，复合合稀土化化合物的的纳米级级粉体有有极强的的氧化还还原性能能，这是是其他任任何汽车车尾气净净化催化化剂东欧欧不能比比拟的。它它的应用用可以彻彻底解决决汽车尾尾气中一一氧化碳碳（COO）和氮氮氧化物物（NOOx）的的污染问问题。以以活性炭

17、炭作为载载体，纳纳米Zrr0.55Ce00.5OO2粉体体为催化化活性体体的 汽汽车尾气气净化催催化剂 ，由于于其表面面存在ZZr4+/Zrr3+及及Ce44+/CCe3+电子可可以在其其3价和和4价之之间传递递，因此此具有极极强的电电子得失失能力和和氧化还还原性，在在加上纳纳米材料料比表面面大，空空间悬键键多，吸吸附能力力强，因因此它在在氧化一一氧化碳碳的同时时还还原原氮氧化化物，使使它们转转化为对对人体和和环境无无害的气气体二氧化化碳和氮氮气。科科学工作作者研制制的更新新一代的的纳米催催化剂，将将在汽车车发动机机汽缸发发挥催化化作用，是是汽油在在燃烧时时就不产产生COO和NOOx，从从而我

18、、无无需进行行尾气净净化处理理。3.2石油油脱硫催催化剂工业用及车车用燃料料油是最最大的二二氧化碳碳污染源源，燃料料油中的的含硫化化合物在在燃烧后后会产生生SO22，所以以石油炼炼制工业业有脱硫硫工艺以以降低汽汽柴油的的硫含量量。采用用半径为为55-70nnm的钛钛酸钴（CCoTii3）作作为催化化活体，以以多孔硅硅胶或AAl2OO3陶瓷瓷作为载载体的催催化剂进进行脱硫硫，其催催化效率率极高。采采用沉淀淀溶出法法制备的的粒径约约30-60nnm的白白色球状状钛酸锌锌粉体，该该粉体比比表面积积大，化化学性高高，用它它作吸附附脱硫剂剂，较固固相烧结结法制备备的钛酸酸粉提效效果明显显提高。经经催化的

19、的石油中中硫的含含量小于于0.001%，达达到国际际标准。3.3纳米米燃油添添加剂纳米技术为为添加剂剂市场开开辟了新新的市场场机遇。北北京大学学博雅公公司利用用纳米技技术研制制开发出出NANNO牌纳纳米燃油油添加剂剂，采用用液相纳纳米技术术生产的的燃油添添加剂。以以纳米级级的微爆爆使燃油油二次雾雾化，与与空气混混合均匀匀、充分分，使燃燃烧进行行更彻底底，可广广泛应用用于工业业和商业业用汽油油、柴油油和重油油等。纳米燃油添添加剂还还可以大大幅增加加动力，降降低燃油油消耗，提提高发动动机性能能并延长长其寿命命，减少少尾气中中有害物物质的排排放，保保护环境境。该添添加剂采采用创新新的纳米米微乳化化技

20、术生生产的新新一代多多用途燃燃油添加加剂，可可以全面面解决辛辛烷值强强化剂、清清洁剂和和皆有添添加剂所所单独解解决的问问题，还还可以整整体改善善发动机机的性能能，是一一种全新新概念的的具有综综合性能能的第四四代环保保型燃油油添加剂剂。纳米米燃油添添加剂可可降低发发动机对对辛烷值值的要求求、提高高动力性性能、节节约燃油油、降低低排污、改改善车辆辆性能。3.4煤炭炭用助燃燃催化剂剂工业用煤燃燃烧后也也会产生生SO22气体，在在燃料燃燃烧时，加加入一种种纳米级级催化剂剂，不仅仅可以使使煤充分分燃烧，提提高能源源利用率率，而且且会使硫硫转化成成固体的的硫化物物，不产产生二氧氧化硫气气体，从从而杜绝绝有害气气体的产产生。室内空气净净化纳米TiOO2 经经光催化化产生的的空穴和和形成于于表面的的活性氧氧化膜能能与细菌菌细胞或或细胞内内组成成成分进行行生化反反应, 使细菌菌头单元元失活而而导致细细胞死亡亡, 并并且使细细菌死亡亡后产生生的内毒毒素分解解，即利利用纳米米TiOO2 的的光催化化性能不不仅能杀杀死环境境中的细细菌, 而且能能同时降降解由细细菌释放放出的有有毒复合合物。 4环境污