纳米技术及材料在环境保护中的应用

纳米技术及材料在环境保护中的应用

随着世界工业化进程的加快，世界环境存在严重的污染。但随着纳米材料的悄然崛起，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。纳米技术就是在1～100nm尺度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术；纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料通常以其表面原子数占总原子数比例大和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。本文就纳米技术及材料在环境治理中的应用进行了阐述。1采用纳米技术处理污染1.1染料废水的处理纳米技术处理废水的方法按照其作用原理可分为催化、过滤与吸附三大类。该技术以其特有的广泛适应性、较强的降解效率，日益引起各国环境科学与材料科学工作者的关注。大量研究表明纳米TiO2、Cu2O和CuFeO2等作光催化剂，在阳光下催化氧化水中的有机污染物，使其能迅速降解。至今为止已知纳米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二氧化碳等无害物质。例如中科院采用纳米TiO2粉末，利用太阳光进行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液,在多云和阴天的条件下光照12h，浓度为0.5mmol/L的苯酚已降解为零，浓度为1mmol/L的十二烷基苯磺酸钠基本降解完全且无二次污染。王俊珍等制备的纳米级SrFeO3-λ悬浮体对盐度高、色度深、异味大的染料废水进行处理，由于在SrFeO3-λ中Fe离子多种价态的共存，使催化剂表面存在高活性的吸附氧而具有较高的催化活性，可以使染料分子降解脱色。符小荣等用纳米TiO2粒子作光催化剂，在可见光照射下成功地对一些染料进行光催化处理降解的实验研究，潘巧明等利用纳滤膜能截留小分子有机物并可同时透析出盐的特点处理染料废水，染料污染物去除率都达到了满意的效果。农药大多数是有机磷、有机氯及含氮化合物，它们在水中停留时间长，危害范围广，且难以降解。郑巍等研究了用纳米TiO2对有机磷农药进行了光催化降解研究,结果表明有机磷农药在短时间内被完全分解为PO43-。孙家寿等利用纳米材料的吸附能力处理含磷废水，使磷的去除率接近100%。废弃石油对地面和海岸环境造成严重污染，用硅烷偶联剂将纳米TiO2偶联在硅铝空心微球上，可制成漂浮于水面上的纳米TiO2光催化剂，用于降解水面油膜污染物。以煤灰中漂球为载体，钛酸丁酯为原料制备载有纳米TiO2粉体的漂浮型催化剂，在紫外线和太阳光的直接照射下，不仅能有效的降解水面石油污染，还能抑制原油在自然氧化过程中形成有害的共聚物。造纸废水污染目前是江河的主要污染源之一。Pintar等在间歇式反应器中纳米Ru/TiO2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TOC的去除率可达到99.6%，并使废水完全脱色。他们还研究了经光催化湿空气氧化处理后的工厂废水对弧菌的毒性的实验，结果表明处理后的溶液对弧菌没有累积的毒性效应，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。1.2去除重金属废水中的污染物，并还原为小分子污水中的重金属对人体的危害很大，流失也是资源的浪费。纳米粒子能对水中的重金属离子通过光电子产生很强的还原能力。如纳米TiO2能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附于表面，并将其还原为细小的金属晶体，这样即消除了废水的毒性，又可回收贵重金属。例如废水中的Cr6+具有较强的致癌性(是Cr3+的100倍)，将Cr6+转化为Cr3+毒性大大降低；纳米TiO2能将SO4-2、NOX和S-2还原成单质或无毒低氧化态的氧化物，将剧毒CN-被光催化氧化反应生成CO2、N2和NO3-。如TiO2光催化法对电镀工业废水中的CN-、I-、Br-、Cl-等可进行光解，从Au(CN)4-中还原出Au，不仅能消除CN-而且能够还原镀液中的贵金属，从而降低污染度。1.3复合纳米级净水剂在饮用水净化领域的应用纳米TiO2除具有降解有机物和无机物的能力外，还具有杀菌的功能。因此，纳米TiO2是自来水净化的良好处理材料。将纳米TiO2固定于玻璃纤维网上形成的催化膜用于饮用水时，自来水中有机物总量的去除率在60%以上，浓度降至检测限以下，达到了直接安全饮用的要求。另外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10～20倍。采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，能有效地除去水中的铁锈、沙以及异味等，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。该技术在医学的血透中也得以应用，肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。2纳米技术和纳米材料在环境中的应用2.1纳米级cotio3催化剂工业生产中使用的燃料及作为汽车燃料的汽油、柴油等，是最大的二氧化硫污染源，有资料表明纳米级CoTiO3是一种非常好的石油脱硫催化剂，经它催化的石油中硫的含量<0.01%,达到国际标准；在煤燃烧时加入一种纳米级助烧催化剂，即可使煤充分燃烧，又可使硫转化为固体的硫化物，而不产生SO2气体，使空气质量得以改观。2.2新的纳米技术汽车排放的尾气处理途径主要是寻求有效催化剂及其载体把有害气体转变为无害物质。例如纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其具有极强的电子得失能力和氧化还原性，空间悬键多、吸附能力强，因此它可使CO和NOX转化为对人体和环境无害的气体CO2和N2。而更新的纳米技术，是在发动机汽缸里发挥催化作用,使汽油在燃烧时不产生CO和NOX，无需尾气净化处理。北京大学博雅公司利用纳米技术研制开发出NANO牌纳米燃油添加剂，以纳米级的微爆使燃油二次雾化，与空气充分混合均匀，使燃烧进行更彻底，是一种全新概念的具有综合性能的第四代环保型燃油添加剂。2.3纳米粒子的降解新装潢房间的空气中有机物浓度高于室外，甚至高于工业区。研究表明，纳米粒子在紫外光照射下能很好的降解和吸附室内新建材(涂料、油漆、木材等)和粘接剂产生的甲醛、甲苯、吸烟所产生的乙醛以及空气中的氯乙烯等污染有机物，其中纳米TiO2的降解效果最好。3纳米技术和纳米环保材料的应用3.1．纳米tio纳米材料由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。例如涂有纳米TiO2的玻璃表面被油污等污染，污染物不易在表面附着，随着外部风力、水淋冲力、自重等作用下，会自动从TiO2表面剥离下来；含纳米材料的涂料能利用太阳光和灯光降解有害气体，如果建筑物都使用纳米涂料粉刷，将成为一个巨大的空气净化器。3.2t0膜的抗菌除臭最近已开发出了用TiO2覆盖的抗菌陶瓷用品。先将TiO2加水制成浆涂在陶瓷表面上，高温燃烧即可得到1mm厚的光催化TiO2薄膜产品。在光照射下，就能完全杀死其表面的细菌，这种陶瓷的持久性、耐酸和耐碱性好，是医院、宾馆、家庭、浴缸、地砖、卫生设施等抗菌除臭的理想陶瓷。中国科学院成都有机化学研究所制得的镀在TiO2透明薄膜的陶瓷样品在4盏40W日光灯下照射1h，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率分别在100%和99.99%。4其他环境保护的应用纳米材料4.1抗菌、除臭纤维抗菌纤维和除臭纤维是一种新型的含纳米材料的功能纤维。它是将含有纳米ZnO和SiO2等掺入天然聚合物或长丝中，再纺制出抗菌和除臭纤维。抗菌纤维具有优良保健功能,可用作医疗用品如手术服、护士服和手术巾等，还可制作抑菌防臭高级纺织品、内衣、鞋袜、睡衣、围裙、沙发等，近年来还相继出现了抗菌荧光灯、抗菌塑料、抗菌日用品等。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。4.2超微粉末回收纳米技术和材料应用于城市垃圾处理主要表现在两个方面：一方面是将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末，除去其中的异物，成为再生原料回收；另一方面利用纳米催化技术可以使城市垃圾快速降解，从而可以缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力。4.3纳米技术作为添加剂科学家们发现一定程度的噪声污染可以使人处于不健康的状态，严重的噪声可导致人死亡。当机器设备等被纳米技术微型化后,再运用纳米技术开发的润滑剂,既能产生极好的润滑作用,大大降低机器设备运转时的噪声,又能延长它的使用寿命。将纳米技术应用于传统的吸声材料也能降低噪声。为2008年北京奥运会所建造的首都体育馆的吊顶用的吸声板是最新的材料，外表面采用了纳米涂层，从而可以降低馆内的噪声。4.4纳米涂料的加入近年来有关电磁场对人体健康的影响问题已众所周知。若在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时,可以在墙内加入纳米材料层或涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。中科院理化技术研究所的研究人员利用纳米技术研究出了新一代手机电磁屏蔽材料，可以实现手机信号抗干扰能力，同时大大降低电磁波辐射。另外纳米材料在防紫外线方面也有较大的应用前景。5纳米技术将拓展人类环保纳米材料及纳米技术是当前材料科学的前沿科学，随着基础