納米技術(shù)及材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用

納米技術(shù)及材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用

隨著世界工業(yè)化進程的加快，世界環(huán)境存在嚴重的污染。但隨著納米材料的悄然崛起，人類利用資源和保護環(huán)境的能力也得到拓展。為徹底改善環(huán)境和控制新的污染源產(chǎn)生，納米材料為其提供了技術(shù)支持。納米技術(shù)就是在1～100nm尺度范圍內(nèi)，研究電子、原子和分子內(nèi)在規(guī)律和特征，并用于制造各種物質(zhì)的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)；納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料通常以其表面原子數(shù)占總原子數(shù)比例大和顯示量子尺寸效應(yīng)這兩個重要特點而影響其各種物理和化學(xué)性能，使納米顆粒具有獨特的性質(zhì)。本文就納米技術(shù)及材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用進行了闡述。1采用納米技術(shù)處理污染1.1染料廢水的處理納米技術(shù)處理廢水的方法按照其作用原理可分為催化、過濾與吸附三大類。該技術(shù)以其特有的廣泛適應(yīng)性、較強的降解效率，日益引起各國環(huán)境科學(xué)與材料科學(xué)工作者的關(guān)注。大量研究表明納米TiO2、Cu2O和CuFeO2等作光催化劑，在陽光下催化氧化水中的有機污染物，使其能迅速降解。至今為止已知納米TiO2能處理80余種有毒污染物，它可以將水中的各種有機物很快完全催化氧化成水和二氧化碳等無害物質(zhì)。例如中科院采用納米TiO2粉末，利用太陽光進行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸鈉水溶液,在多云和陰天的條件下光照12h，濃度為0.5mmol/L的苯酚已降解為零，濃度為1mmol/L的十二烷基苯磺酸鈉基本降解完全且無二次污染。王俊珍等制備的納米級SrFeO3-λ懸浮體對鹽度高、色度深、異味大的染料廢水進行處理，由于在SrFeO3-λ中Fe離子多種價態(tài)的共存，使催化劑表面存在高活性的吸附氧而具有較高的催化活性，可以使染料分子降解脫色。符小榮等用納米TiO2粒子作光催化劑，在可見光照射下成功地對一些染料進行光催化處理降解的實驗研究，潘巧明等利用納濾膜能截留小分子有機物并可同時透析出鹽的特點處理染料廢水，染料污染物去除率都達到了滿意的效果。農(nóng)藥大多數(shù)是有機磷、有機氯及含氮化合物，它們在水中停留時間長，危害范圍廣，且難以降解。鄭巍等研究了用納米TiO2對有機磷農(nóng)藥進行了光催化降解研究,結(jié)果表明有機磷農(nóng)藥在短時間內(nèi)被完全分解為PO43-。孫家壽等利用納米材料的吸附能力處理含磷廢水，使磷的去除率接近100%。廢棄石油對地面和海岸環(huán)境造成嚴重污染，用硅烷偶聯(lián)劑將納米TiO2偶聯(lián)在硅鋁空心微球上，可制成漂浮于水面上的納米TiO2光催化劑，用于降解水面油膜污染物。以煤灰中漂球為載體，鈦酸丁酯為原料制備載有納米TiO2粉體的漂浮型催化劑，在紫外線和太陽光的直接照射下，不僅能有效的降解水面石油污染，還能抑制原油在自然氧化過程中形成有害的共聚物。造紙廢水污染目前是江河的主要污染源之一。Pintar等在間歇式反應(yīng)器中納米Ru/TiO2作催化劑，對酸性或堿性牛皮紙漂白廢水進行光催化降解，廢水中的有機總碳TOC的去除率可達到99.6%，并使廢水完全脫色。他們還研究了經(jīng)光催化濕空氣氧化處理后的工廠廢水對弧菌的毒性的實驗，結(jié)果表明處理后的溶液對弧菌沒有累積的毒性效應(yīng)，表明用該方法處理后的工廠漂白廢水完全可以進一步生物降解。1.2去除重金屬廢水中的污染物，并還原為小分子污水中的重金屬對人體的危害很大，流失也是資源的浪費。納米粒子能對水中的重金屬離子通過光電子產(chǎn)生很強的還原能力。如納米TiO2能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面，并將其還原為細小的金屬晶體，這樣即消除了廢水的毒性，又可回收貴重金屬。例如廢水中的Cr6+具有較強的致癌性(是Cr3+的100倍)，將Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+毒性大大降低；納米TiO2能將SO4-2、NOX和S-2還原成單質(zhì)或無毒低氧化態(tài)的氧化物，將劇毒CN-被光催化氧化反應(yīng)生成CO2、N2和NO3-。如TiO2光催化法對電鍍工業(yè)廢水中的CN-、I-、Br-、Cl-等可進行光解，從Au(CN)4-中還原出Au，不僅能消除CN-而且能夠還原鍍液中的貴金屬，從而降低污染度。1.3復(fù)合納米級凈水劑在飲用水凈化領(lǐng)域的應(yīng)用納米TiO2除具有降解有機物和無機物的能力外，還具有殺菌的功能。因此，納米TiO2是自來水凈化的良好處理材料。將納米TiO2固定于玻璃纖維網(wǎng)上形成的催化膜用于飲用水時，自來水中有機物總量的去除率在60%以上，濃度降至檢測限以下，達到了直接安全飲用的要求。另外一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10～20倍。采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭凈化裝置，能有效地除去水中的鐵銹、沙以及異味等，再經(jīng)過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以100%除去水中的細菌、病毒，得到高質(zhì)量的純凈水。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)的血透中也得以應(yīng)用，肝、腎功能衰竭者飲用這種水后，會大大減輕肝、腎臟的負擔(dān)。2納米技術(shù)和納米材料在環(huán)境中的應(yīng)用2.1納米級cotio3催化劑工業(yè)生產(chǎn)中使用的燃料及作為汽車燃料的汽油、柴油等，是最大的二氧化硫污染源，有資料表明納米級CoTiO3是一種非常好的石油脫硫催化劑，經(jīng)它催化的石油中硫的含量<0.01%,達到國際標準；在煤燃燒時加入一種納米級助燒催化劑，即可使煤充分燃燒，又可使硫轉(zhuǎn)化為固體的硫化物，而不產(chǎn)生SO2氣體，使空氣質(zhì)量得以改觀。2.2新的納米技術(shù)汽車排放的尾氣處理途徑主要是尋求有效催化劑及其載體把有害氣體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)。例如納米Zr0.5Ce0.5O2粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其具有極強的電子得失能力和氧化還原性，空間懸鍵多、吸附能力強，因此它可使CO和NOX轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害的氣體CO2和N2。而更新的納米技術(shù)，是在發(fā)動機汽缸里發(fā)揮催化作用,使汽油在燃燒時不產(chǎn)生CO和NOX，無需尾氣凈化處理。北京大學(xué)博雅公司利用納米技術(shù)研制開發(fā)出NANO牌納米燃油添加劑，以納米級的微爆使燃油二次霧化，與空氣充分混合均勻，使燃燒進行更徹底，是一種全新概念的具有綜合性能的第四代環(huán)保型燃油添加劑。2.3納米粒子的降解新裝潢房間的空氣中有機物濃度高于室外，甚至高于工業(yè)區(qū)。研究表明，納米粒子在紫外光照射下能很好的降解和吸附室內(nèi)新建材(涂料、油漆、木材等)和粘接劑產(chǎn)生的甲醛、甲苯、吸煙所產(chǎn)生的乙醛以及空氣中的氯乙烯等污染有機物，其中納米TiO2的降解效果最好。3納米技術(shù)和納米環(huán)保材料的應(yīng)用3.1．納米tio納米材料由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點。例如涂有納米TiO2的玻璃表面被油污等污染，污染物不易在表面附著，隨著外部風(fēng)力、水淋沖力、自重等作用下，會自動從TiO2表面剝離下來；含納米材料的涂料能利用太陽光和燈光降解有害氣體，如果建筑物都使用納米涂料粉刷，將成為一個巨大的空氣凈化器。3.2t0膜的抗菌除臭最近已開發(fā)出了用TiO2覆蓋的抗菌陶瓷用品。先將TiO2加水制成漿涂在陶瓷表面上，高溫燃燒即可得到1mm厚的光催化TiO2薄膜產(chǎn)品。在光照射下，就能完全殺死其表面的細菌，這種陶瓷的持久性、耐酸和耐堿性好，是醫(yī)院、賓館、家庭、浴缸、地磚、衛(wèi)生設(shè)施等抗菌除臭的理想陶瓷。中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所制得的鍍在TiO2透明薄膜的陶瓷樣品在4盞40W日光燈下照射1h，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅率分別在100%和99.99%。4其他環(huán)境保護的應(yīng)用納米材料4.1抗菌、除臭纖維抗菌纖維和除臭纖維是一種新型的含納米材料的功能纖維。它是將含有納米ZnO和SiO2等摻入天然聚合物或長絲中，再紡制出抗菌和除臭纖維?？咕w維具有優(yōu)良保健功能,可用作醫(yī)療用品如手術(shù)服、護士服和手術(shù)巾等，還可制作抑菌防臭高級紡織品、內(nèi)衣、鞋襪、睡衣、圍裙、沙發(fā)等，近年來還相繼出現(xiàn)了抗菌熒光燈、抗菌塑料、抗菌日用品等。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中細菌，而且能同時降解由細菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院病房、手術(shù)室及生活空間細菌密集場所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。4.2超微粉末回收納米技術(shù)和材料應(yīng)用于城市垃圾處理主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末，除去其中的異物，成為再生原料回收；另一方面利用納米催化技術(shù)可以使城市垃圾快速降解，從而可以緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。4.3納米技術(shù)作為添加劑科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一定程度的噪聲污染可以使人處于不健康的狀態(tài)，嚴重的噪聲可導(dǎo)致人死亡。當(dāng)機器設(shè)備等被納米技術(shù)微型化后,再運用納米技術(shù)開發(fā)的潤滑劑,既能產(chǎn)生極好的潤滑作用,大大降低機器設(shè)備運轉(zhuǎn)時的噪聲,又能延長它的使用壽命。將納米技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的吸聲材料也能降低噪聲。為2008年北京奧運會所建造的首都體育館的吊頂用的吸聲板是最新的材料，外表面采用了納米涂層，從而可以降低館內(nèi)的噪聲。4.4納米涂料的加入近年來有關(guān)電磁場對人體健康的影響問題已眾所周知。若在強烈輻射區(qū)工作并需要電磁屏蔽時,可以在墻內(nèi)加入納米材料層或涂上納米涂料，能大大提高遮擋電磁波輻射性能。中科院理化技術(shù)研究所的研究人員利用納米技術(shù)研究出了新一代手機電磁屏蔽材料，可以實現(xiàn)手機信號抗干擾能力，同時大大降低電磁波輻射。另外納米材料在防紫外線方面也有較大的應(yīng)用前景。5納米技術(shù)將拓展人類環(huán)保納米材料及納米技術(shù)是當(dāng)前材料科學(xué)的前沿科學(xué)，隨著基礎(chǔ)