环境材料现状与发展趋势.doc

环境材料的现状与发展趋势分析一、 引言在人类生活水平得以明显提高的今天，人们越来越重视周围的生存环境。提倡人与自然的和谐相处，提倡可持续发展，因此环境材料逐渐被提了出来，旨在节能环保，实现人与环境的和谐统一。二、 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、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。而依据其特征又可大体分为四类：能源节约工艺、资源节约工艺、降低污染的加工技术、净化环境的加工技术。现围绕目前比较成熟的绿色包装材料、环境降解材料和绿色建筑材料予以分析。人口迅速增长，资源严重短缺和环境污染是当今社会发展的三大主要问题。环境问题是当今社会发展所面临的三大主要问题之一。人们在创造空前巨大的物质财富和前所未有的社会文明的同时，也在不断破坏其赖以生存的环境。材料一方面推动着人类社会的物质文明，而另一方面又大量消耗资源和能源，并在生产、使用和废弃过程中排放大量的污染物，危害环境和恶化人类赖以生存的空间。现实要求人类从环境保护角度出发，重新认识和评价人类过去在材料研究、材料开发、材料使用和材料回收等方面的行为。环境材料的出现是现代文明社会的理智决择，也是人类当前和未来发展的必由之路。环境材料并不是一种完全独立的材料种类【1】，也不全是高新技术材料，有许多传统材料本身就具有环境材料特征或可以发展成环境材料，事实上现存的任何一种材料，一旦引入环境意识加以改造，使之与环境有良好的协调性，就应列为环境材料。另外，从发展现点看环境材料是可持续发展的【2】。环境材料包括许许多多的方面，环境工程材料就是其中的一个不可缺少的方面。环境工程材料包括环境净化材料、环境修复材料以及环境替代材料【3】。治理大气污染的吸附、吸收和催化转化材料，治理水污染的过滤、吸附、氧化还原材料，减少有害固态废弃物污染的固体隔离材料，噪声控制材料、电磁防护材料等，都属于环境净化材料；另外还包括过滤、分离、杀菌、消毒材料等。防止土壤沙漠化的固沙植被材料属于环境修复材料。从材料的全生命周期进行考虑，环境替代材料可以被划归在环境协调性材料里面。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，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水处理吸附剂。文献【4】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，文献【5】中报道了由淀粉、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【6】，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【7】。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【8】。（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。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。吴晓东【10】等对钙钛矿型催化剂La0.7Sr0.3MnO3+的催化活性进行了广泛而深入的研究，结果表明，这类催化剂对于汽车尾气具有很高的催化活性。作为稀土催化剂载体的多孔蜂窝陶瓷近年来也成为研究的热点。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。文献【11】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。根据王君【12】等的研究，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【15】。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。三、 身边的环境材料3.1绿色包装材料塑料包装材料：主要利用高性能材料减少容器或薄膜的厚度而开发的轻量、薄型、高性能塑料；以及新型泡沫塑料，发泡剂生产的无氟化泡沫塑料；而利用聚对苯二甲酸、乙二醇酯（PET）成产的可重复使用再生塑料及可降解塑料也是发展的一种趋势。纸包装材料：由于纸原料主要是天然植物纤维，利用其在自然界很快腐烂的特性而研制的一次性纸制品容器、纸包装薄膜、可食性纸制品也已打入市场，更有别出心裁的蜂窝夹心纸饭造型独特、性能良好。可食性包装材料：可食性包装材料由于原料丰富齐全又可食用，对人体无害甚至有利，具有一定强度的特点，在近几年得到迅速发展，已广泛用于食品、药品、包装，其生产原来大体可分为：淀粉类、蛋白质类、多糖类、脂肪类和复合类。金属包装材料：当前金属包装材料主要集中以下方面：降低厚度，高强度的马口铁替代铝制罐；降低马口铁镀锡量；采用新型焊接工艺；采用锡箔替代塑料和纸。3.2环境降解材料光降解塑料：光降解塑料是指塑料在日光照射下发生裂化分解反应，使材料在日光照射后一段时间内失去机械强度达到分解目的。光降解材料制备主要有两种途径，一是通过高分子反应向其中引入光降解发色集团，二是将高聚物与具有光增感作用的光敏剂进行共混，通过控制感光性基因含量达到预知和控制其寿命的目的。生物降解塑料：生物降解塑料是指在一些有机体（如酶、霉菌）作用下产生酶解或化学降解的同时也能会伴随着光降解、水解、酶降解等过程，有完全生物降解塑料和生物破坏性塑料两种。光生物双降解塑料：光生物双降解塑料是一种符合塑料，利用光降解和生物降解相结合的方法制得的一类塑料，是较理想的降解塑料，通常四聚烯烃塑料作为基料，向其中加入光敏剂、生物降解剂、促降解剂、降解控制剂等符合而成，使之同时具有光降解性和生物降解性，并可在一定条件下控制其降解速度。可生物降解的聚合物纳米微粒：生物降解的聚合物通过一定的技术手段可制备成纳米材料，它们在药物缓解技术、靶向药物方面均具有良好的应用前景。3.3绿色建筑材料目前发展的生态建材主要有：生态水泥及混凝土材料、建筑用钢、建筑饰面材料、建筑玻璃、建筑陶瓷等。生态水泥：主要按在生产和使用过程中尽量减少对环境影响的水泥，除对成分进行有利环境的改进外，在水泥的生产中也尽量减少能源消耗，降低水泥的烧结温度等。生态混凝土：指通过材料研究采用特殊工艺制造出来的具有特殊结构与表面特性的混凝土，既能减少地球环境负荷，同时又能与自然生态共生，其适应动植物生长，对调节生态平衡美好环境起到积极作用。生态玻璃：生态玻璃是能消除粉尘污染，减少噪声污染、光污染、以及其他有毒有害物质的玻璃，建筑生态玻璃主要有：隔音玻璃、防紫外线辐射玻璃、防光污染玻璃、电磁屏蔽玻璃及自洁净玻璃等。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，并将构建绿色制造数据库形成完整的绿色生态加工体系。五、 个人体会在写这篇论文时，通过查阅科学文献及实际调查我学到了很多，其一是如今人类科技水平达到了很高的阶段，而在科学技术飞速发展中却忽略了自然的存在，结果沙尘暴、地震、洪水、海啸的不断出现，是自然对人类胡乱开发不顾后果发展的最强有力的回应，如今人类也意识到了这个问题并不断的进行着反思。可以说环境材料的出现是人类悔改的一大表现，但如今的环境材料还远远不足以实现人与自然的和谐。高成本高技术含量是环境材料发展的最大障碍，没有完整的生产工艺，许多方案还只是一个构想，始终停留在研发阶段而止步不前，但已意识到问题的严重还是好的，相信在不久的将来人类会利用自己的头脑开发更多的环境材料，真正实现人与自然的和谐。参考文献【1】Larry R Biodegradability of modified plastic film in controlled biological environments 1992(01)【2】范植坚;马德通国外适应环境材料和工艺的发展期刊论文-西安工业学院学报 1994(01)【3】翁端.环境材料学M.北京：清华大学出版社，2001：207-233.【4】李天肵，谷为民，林海，等.新型介孔净化材料与活性炭的性能对比及其制备方法和应用J.中国非金属矿工业导刊，2004（6）：49-52.【5】GREGORIO C.Recent developments in polysaccharide-basedmaterials used as adsorbents in wastewater treatmentJ.Progress in polymer science,2005,30(1):38-70.【6】JIANG JIA-QIAN,BARRY L.Progress in the development and use of ferrate()salt as an oxidant and coagulant for water and wastewater 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