§2-几种重要的环保纳米材料.doc

2 几种重要的环保纳米材料2.1 纳米TiO22.1.1 在治理有机污染物方面的应用纳米TiO2光催化剂能有效地降解有机污染物，其机理就是通过催化剂表面产生的强氧化性的自由基致使有机物氧化分解最终使之矿化。因这种氧化作用无选择性，且有较高的分解效率，所以环境中的多种有机污染物均可被氧化分解而消除。2.1.1.1 卤代有机化合物卤代有机化合物包括卤代脂肪烃、卤代芳香烃和卤代脂肪酸等。这类物质在美国和欧共体公布的环境优先污染物黑名单中占有相当大的比例。由于其种类繁多、应用广泛、对人类和其他生物毒性较强、对自然环境污染严重，因而研究其催化降解条件、机理及治理方法均具有重要的现实意义。Willie和Prudent等人分别用普通TiO2粉末进行了卤代脂肪烃、卤代有机酸和卤代芳烃的光催化降解实验研究，并详尽探讨了光催化降解机理。1992年，李田等人对饮用水中9种卤代有机物进行了光催化降解的实际和模拟研究，并得到了9种卤代有机物的光催化降解半衰期，结果表明饮用水中多种有机物被同时去除，水质得以全面改善。2.1.1.2 染料在染料的生产和使用中，有大量盐度高、色度深、异味大的染料废水进入环境，对生态环境和饮用水造成极大的污染。近年来用普通TiO2粉末对染料的脱色、光解等进行了大量的研究，并取得了一定的成果。近几年人们又在尝试用纳米TiO2粉体对染料进行脱色和光解处理，以期提高脱色和光解效率。1997年，符小荣等人利用自制的纳米TiO2薄膜对染料进行了光催化降解研究，收到了良好的效果；瞿萍等人用纳米Ti02粒子作光催化剂，在可见光照射下成功地对曙红、罗丹明、二号橙等染料进行了光降解处理，并指出了可见光照射下的光催化机理不同于紫外光照射下的光催化机理。1999年，张汝冰等人用纳米TiO2对甲基橙、亚甲基蓝等染料分子进行了光催化降解的实验研究，结果令人满意。2.1.1.3 农药农药分为除草剂和杀虫剂，大都是有机磷、有机氯及含氮化合物。它们在大气、土壤和水体中停留时间长，危害范围广，且难以降解，故其在自然界的环境化学行为深受人们的关注。1999年，郑巍等人研究了由CMCNa附载普通TiO2光催化降解农药的过程，降解率达50以上，降解速率符合一级动力学方程，并探讨了以自然光为光源催化降解咪呀胺的可行性。1996年，陈士夫等人以四异丙醇钛为原料，用SR法制备的TiO2，胶体，经烧结后生成的粉末附载于玻璃纤维对有机磷农药进行了光催化降解研究。结果表明，浓度较低的有机磷农药在375W中压汞灯照射下短时间内被完全分解为磷酸根，效果显著。光催化分解农药的优点是它不会产生毒性更高的中间产物，这是其他方法所无法相比的。2.1.1.4 表面活性剂表面活性剂在工农业和人们生活中有着广泛的应用，已对水环境造成严重污染。由于其影响废水的生化处理且进入人体后能加快肝脏合成胆固醇的速度，所以如何去除水体中的表面活性剂已引起人们的重视。目前去除水体中表面活性剂的主要方法有泡沫分离法、絮凝分离法和吸附法等，但这些方法对低浓度表面活性剂废水的处理效果不能令人满意。而采用纳米TiO2光催化分解表面活性剂的研究已为人们所关注，并对一些表面活性剂光解处理取得了较好的效果。2.1.1.5 其他有机化合物对于酚类、多环芳烃、杂环及含氮化合物的光催化降解，也进行过相关的研究。Oliveira等人对苯酚的光催化机理进行了深入地研究，并提出了光催化氧化模式。2000年，王晓平等人曾用自制的纳米TiO2粉末对苯酚进行了光解研究，效果较为显著。对于多环芳烃及杂环芳烃等因其结构比较复杂，产物种类多，对其光解机理还不很清楚，有待于进一步研究。2.1.2 在环境净化方面的应用纳米TiO2粒子在紫外光照射下产生载流子(电子、空穴对)，空穴能分解周围的水产生活性羟基自由基OH，电子能使空气中的氧还原成活性氧离子，因而显示出极强的氧化能力。油污、细菌、恶臭分子等被吸附在纳米TiO2，粒子的表面而分解成CO2和H20等无害物质。因此纳米TiO2在环境净化方面有着广泛的应用。日本在这一领域的开发研究起步较早，东京大学的藤岛昭教授等人在1993年就提出了将TiO2光催化剂应用于环境净化的建议，外加20世纪90年代日本实施了净化空气的恶臭管理法，当时在日本掀起了大气净化、除臭、防污、抗菌、防霉和开发无机抗菌剂的所谓“光净化革命”的热潮，TiO2光催化剂的应用开发研究受到广泛的重视。此后一些环境净化产品相继问世，如在空气净化方面：室内用产品有抗菌瓷砖、抗菌卫生陶瓷、除臭照明灯具、防污除臭日光灯、除臭杀菌空气清净器、除臭板、除臭纸和布等；室外用产品有NO除去板、防污顶棚、防污隧道照明装置。水质净化方面的产品有泄漏油处理用的油分离玻璃珠、地下水及下水道污水处理用的有机氯化物催化剂以及防水生生物附着用的玻璃纤维布等。近年来，我国也开始将纳米TiO2光催化剂应用于环境净化方面的研究，有些产品已经面世相信几年后我国将在这一领域取得显著成就。2.2 纳米级稀土钙钛矿复合氧化物2.2.1 治理大气污染随着人们生活水平的提高，交通工具越来越发达，汽车拥有量越来越多，汽车所排放的尾气已成为污染大气环境的主要来源之一。汽车尾气的治理已成为各国政府亟待解决的难题。实验研究发现，纳米级稀士钙钛矿型复合氧化物AB03对汽车尾气所排放的CO、NO和HC具有良好的催化转化作用。把它作为活性组份负载于蜂窝状堇青石载体上制成的汽车尾气催化剂三元催化效果较好，价格便宜，可以替代昂贵的贵金属催化剂。近年来，很多稀土钙钛矿型复合氧化物已经投放市场应用于汽车尾气的治理。2.2.2 纳米级SrFeO3-X 可治理有害废水稀土钙钛矿型复合氧化物ABO3作为催化剂一般用于有害气体的治理，但用于有机污染物的催化降解的报道较少。2000年，天津大学的王俊珍等人采用柠檬酸络合紫外灯照射成溶胶，然后真空干燥和培烧制备了颗粒在2O3Onm的SrFeO3-x，用其对染料废水进行催化降解。实验发现，纳米级SrFeO3-x 悬浮体系可使各种不同水溶性染料溶液降解脱色。染料的脱色并非催化吸附所致，而是发生了催化降解。2.3 天然纳米材料膨润土环境保护是当今生态环境首要课题。天然纳米材料膨润土在环境保护中应用在国外已相当广泛。膨润土可作为有害物质吸附剂，浑浊水的澄清剂，放射性废料和有毒物料的密封剂，被污染水的防水剂、污水处理剂、洗涤助剂等，但我国开发研究应用的较少。2.3.1 在废料处理方面的应用2.3.1.1 用天然钠基膨润土做垃圾填埋场的防渗层国外用膨润土毯(板)、粉做垃圾填埋场防渗层的很多，尤其是德国、韩国、日本，美国用的更多，我国也已开始使用。因膨润土具有高度的水密实性和自我修补、复原功能，在理论上是接近完美的防渗材料。2002年，世界足球杯的赛场就在一个特大的垃圾填埋场上建成，其上下四周全部用膨润土毯做防渗层。而韩国16年前所建的填埋场所用防渗材料与我国以前建的填埋场一样，防渗材料的耐久性差，有的严重污染地下水。要修复这些防渗层，杜绝渗漏，需花原造价5倍的代价。2.3.1.2 用膨润土进行核废料处理和消毒防护国内外都有将核电站等放射性废料用膨润土稠浆包裹后装入容器深埋地下的做法，效果较好；国外用膨润土制备毒剂防护的消毒急救包，有广泛的用途。2.3.2 在废水、废油处理中的应用2.3.2.1 膨润土在处理煤气洗涤废水中的应用用膨润土处理印染废水、蠖气洗涤废水、味精厂等废水、废物，去除率达995。有的在处理废水后再把回收物做成饲料添加剂。2.3.2.2 用膨润土作动物垫圈料，处理废水、臭气，膨润土能使动物粪便容易分散、清理。国内大城市的需求量也有所提高，由于圈养动物场和屠宰场、水产加工场产生的污水、臭气对环境有害，可在这些场所撒膨润土，回收高效肥料，有一举两得之功效。2.3.2.3 用膨润土处理、吸附废油用膨润土处理快餐的煎炸废油、油污十分有效。膨润土是很好的吸附剂，用膨润土吸附电力行业绝缘油在国外很盛行；海上油船泄漏的油浮在海面上，国外是在其上撒吸附剂后结块清除。2.3.2.4 用膨润土做洗涤用品用膨润土洗涤羊毛等在古罗马、古埃及公元前3000年已开始，现代洗涤剂掺入一定量的膨润土，可增加其洗洁力度。2.3.3 在废气处理中的应用2.3.3.1 用膨润土处理有害气体国外用膨润土制成汽车排气管、过滤器，主要是充分利用膨润土的吸附性。2.3.3.2 用膨润土制作卷烟复合过滤剂用膨润土代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。2.3.4 膨润土在软水剂、澄清剂中的应用2.3.4.1 在水库上游撒膨润土可使水库不洁物质絮凝沉入库底经生物净化加以处理，同时也可使水库漏水得到根治。因为膨润土能修复库底裂缝。2.3.4.2 膨润土可使果汁、糖汁澄清。2.3.4.3 膨润土可使硬水软化。2.3.5 膨润土做防渗材料可抵御海水对淡水、土地的盐化2.4 聚氨酯材料2.4.1 绿色溶剂型胶粘剂绿色溶剂即无毒或可以生物分解的溶剂(如丙酮、双戊烯、乳酸乙酯、乙醇等)。美国Morton公司开发的以聚醚多元醇为基础的HAS系列胶粘剂即为以乙醇为主溶剂的混合溶剂型(绿色溶剂)胶粘剂。2.4.2 可降解型聚氨酯聚氨酯性质稳定，不能在自然环境中较快降解，从而造成环境污染，因此研究开发可降解聚氨酯势在必行。纤维素、木质素是可再生资源，具有完全生物降解性，故可以用于合成可降解聚氨酯。以木质素为原料制备聚氨酯，关键在于提高木质素与异氰酸酯之间的反应程度，而提高木质素在聚氨酯中的反应活性，主要在如何提高醇羟基的数量用甲醛或环氧丙烷等对木质素进行改性，用改性木质素合成聚氨酯可以制得性能良好的聚氨酯，同时也降低了聚氨酯的生产成本。有研究表明：直接用树皮作为羟基组分可以制得刚性很强的聚氨酯泡沫，并且省去了复杂的提取工