纳米材料与技术在环保中的应用ppt课件.ppt

纳米材料与技术的应用 1 纳米材料与技术的应用 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言 如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话 物体就能得到大量的异乎寻常的特性 他所说的材料就是现在的纳米材料 纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点 纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域 2 纳米材料与技术的应用 纳米材料从根本上改变了材料的结构 为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径 其应用主要体现在以下七方面 在陶瓷领域的应用随着纳米技术的广泛应用 纳米陶瓷随之产生 希望以此来克服陶瓷材料的脆性 使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性 许多专家认为 如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题 则它将具有高硬度 高韧性 低温超塑性 易加工等优点 3 纳米材料与技术的应用 在微电子学上的应用纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段 按照全新的理念来构造电子系统 并开发物质潜在的储存和处理信息的能力 实现信息采集和处理能力的革命性突破 纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心 4 纳米材料与技术的应用 在生物工程上的应用虽然分子计算机目前只是处于理想阶段 但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件 其中细菌视紫红质最具前景 该生物材料具有特异的热 光 化学物理特性和很好的稳定性 并且 其奇特的光学循环特性可用于储存信息 从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用 它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍 5 纳米材料与技术的应用 在光电领域的应用纳米技术的发展 使微电子和光电子的结合更加紧密 在光电信息传输 存贮 处理 运算和显示等方面 使光电器件的性能大大提高 将纳米技术用于现有雷达信息处理上 可使其能力提高10倍至几百倍 甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察 最近 麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中 每个原子发射一个有用的光子 其效率之高 令人惊讶 6 纳米材料与技术的应用 在化工领域的应用将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中 则可以有效地遮蔽紫外线 将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中 可以大大降低静电作用 利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体 可用于气体同位素 混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩 纳米微粒还可用作导电涂料 用作印刷油墨 制作固体润滑剂等 研究人员还发现 可以利用纳米碳管其独特的孔状结构 大的比表面 每克纳米碳管的表面积高达几百平方米 较高的机械强度做成纳米反应器 该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行 7 纳米材料与技术在环保中的应用 当代科技的三大支柱 基础科学 生物医学 信息技术 由此可见随纳米材料制备和应用研究发展而发展起来的纳米技术很可能成为下一世纪前五十年的主导技术 它诞生十多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直非常引人注目 特别是在环境保护和环境治理方面的应用 已经呈现出欣欣向荣的前景 随着纳米材料和纳米技术在环保方面的应用更深入的研究 将会给我国乃至全世界在治理环境污染方面带来新的机会 8 纳米技术在治理有害气体方面的应用 大气污染一直是各国政府需要解决的难题 空气中超标的二氧化硫 SO2 一氧化碳 CO 和氮氧化物 NOC 是影响人类健康的有害气体 纳米材料和纳米技术的应用能够最终解决产生这些气体的污染源问题 工业生产中使用的汽油 柴油以及作为汽车燃料的汽油 柴油等 由于含有硫的化合物在燃烧时会产生S02气体 这是S02的最大污染源 9 纳米技术在治理有害气体方面的应用 所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量 纳米钛酸钴 CoTi03 是一种非常好的石油脱硫催化剂 以55 70nm的钛酸钴半径作为催化活体多孔硅胶或A1203陶瓷作为载体的催化剂 其催化效率极高 经它催化的石油中硫的含量小于0 01 达到国际标准 工业生产中使用的煤燃烧也会产生S02气体 如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂不仅可以使煤充分燃烧 不产生一氧化硫气体 提高能源利用率 而且会使硫转化成固体的硫化物 而不产生二氧化硫气体 从而杜绝有害气体的产生 10 纳米技术在治理有害气体方面的应用 最新研究成果表明 复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能 这是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的 它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳 CO 和氮氧化物 NOx 的污染问题 以活性碳作为载体 纳米Zr0 5Ce0 5O2 粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂 由于其表面存在Zr4 Zr3 及Ce4 Cr3 电子可以在其三价和四价离子之间传递 因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性 再加上纳米材料比表面大 空间悬键多 吸附能力强 因此它在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物 使它们转化为对人体和环境无害的气体 二氧化碳和氮气 而更新一代的纳米催化剂 将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用 使汽油在燃烧时就不产生CO和NOx 无需进行尾气净化处理 11 纳米技术在污水处理方面的应用 污水中通常含有有毒有害物质 悬浮物 泥沙 铁锈 异味污染物 细菌病毒等 污水治理就是将这些物质从水中去除 由于传统的水处理方法效率低 成本高 存在二次污染等问题 污水治理一直得不到很好解决 12 纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题 污水中的贵金属是对人体极其有害的物质 它从污水中流失 也是资源的浪费 新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金 钌 钯 铂等完全提炼出来 变害为宝 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 因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来 先使水中不含悬浮物 然后采用纳米磁性物质 纤维和活性炭的净化装置 能有效地除去水中的铁锈 泥沙以及异味等污染物 纳米技术在污水处理方面的应用 13 经前二道净化工序后 水体清澈 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 可以将水中的细菌 病毒100 去除 得到高质量的纯净水 完全可以饮用 这是因为细菌 病毒的直径比纳米大 在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时 就会被过滤掉 水分子及水分子直径以下的矿物质 元素则保留下来 该技术在医学领域血透中已开始应用 有 体外肾脏 之称 肝 肾功能衰竭者饮用这种水后 会大大减轻肝 肾脏的负担 纳米技术在污水处理方面的应用 14 纳米TiO2与环境保护 由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外 还具有光催化性能 使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色 1 降解空气中的有害有机物 近年来 随着室内装潢涂料油漆用量的增加 室内空气污染越来越受到人们的重视 调查表明 新装修的房间内空气中有机物浓度高于室外 甚至高于工业区 目前已从空气中鉴定出几百种有机物质 其中有许多物质对人体有害 有些是致癌物 对室内主要的气体污染物甲醛 甲笨等的研究结果表明 光催化剂可以很好地降解这些物质 其中纳米TiO2的降解效率最好 将近达到100 其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳 水和有机酸 纳米TiO2的光催化剂也可用于石油 化工等产业的工业废气处理 改善厂区周围空气质量 2 它可以降解有机磷农物 这种70年代发展起来的农药品种占我国农药产量的80 它的生产和使用会造成大量有毒废水 这一环保难题 使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决 15 纳米TiO2与环境保护 3 用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水 具有省资 高效 节能 最终能使有机物完全矿化 不存在二次污染等特点 显示出良好的应用前景 4 在石油开采运输和使用过程中 有相当数量的石油类物质废弃在地面 江湖和海洋水面 用纳米TiO2可以降解石油 解决海洋的石油污染问题 5 用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解 其速度是大颗粒TiO2的10倍以上 从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力 6 一般常用的杀菌剂Ag Cu等能使细胞失去活性 但细菌被杀死后 可释放出致热和有毒的组分如内毒素 内毒素是致命物质 可引起伤寒 霍乱等疾病 利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌 而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物 在医院的病房 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 16 纳米TiO2与环境保护 7 纳米TiO2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 即其表面具有防污 防雾 易洗 易干等特点 如将TiO2玻璃镀膜置于水蒸气中 玻璃表面会附着水雾 紫外线光照射后 表面水雾消失 玻璃重又变得透明 在汽车挡风玻璃 后视镜表面镀上TiO2薄膜 可防止镜面结雾 实验表明 镀有纳米TiO2薄膜的表面与未镀TiO2薄膜的表面相比 前者显示出高度的自清洁效应 一旦这些表面被油污等污染 因其表面具有超亲水性 污染不易在表面附着 附着的少量污物在外部风力 水淋冲力 自重等作用下 也会自动从TiO2表面剥离下来 阳光中的紫外线足以维持TiO2的薄膜表面的亲水特性 从而使其表面具有长期的自洁去污效应 17 纳米TiO2与环境保护 这一特性的开发利用将改变人们对涂层功能的认识 从而给涂层材料带来 次新的革命 今后将广泛应用于汽车表面涂层 建筑物玻璃外墙等 由于纳米TiO2光催化剂具有良好的化学稳定性 抗磨损性能好 成本低 制备的薄膜透明等优点 已成为目前最引人注目的环境净化材料 更重要的是能直接利用太阳光 太阳能 普通光源来净化环境 18 纳米TiO2与环境保护 总之 随着纳米材料和纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展 特别是纳米技术与环境保护和环境治理进一步有机结合 许多环保难题诸如大气污染 污水处理 城市垃圾等将会得到解决 我们将充分享受纳米技术给人类带来的洁净环境 19 纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 随着我国工业的飞速发展 环境污染问题日益突出 一些洗涤剂厂 食品厂 化工厂 造纸厂的有机物废水排放受到环境保护法规的制约 面临严峻考验 20 目前国内常用的有机物废水处理技术难以达到有效的治理 物理吸附法 混凝法等非破坏性的处理技术 只是将有机物从液相转移到固相 如何解决二次污染问题 使吸附剂 混凝剂再生是一难题 而化学 生化等处理技术虽是破坏性的 但除净度低 废水中的有机物的含量仍远远高于国家废水的排放标准 纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 21 与上述方法相比 纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势 无二次污染 除净度高 它的制造成功无疑为该项目的研究注人了生机 此纳米材料具有以下优点 具有巨大的比表面积 因而具有与废水中有机物更充分的接触 可将有机物最大限度地吸附在它的表面 具有更强的紫外光吸收能力 因而具有更强的光催化降解能力 可快速将吸附在其表面的有机物分解掉 采用这种表面活性很强的纳米二氧化钛作为光催化剂 可望利用更经济的太阳辐射源来替代紫外汞灯电源 纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 22 该技术以其特有的广泛的适用性 较强的降解效率 日益引起各国环境科学和材料科学工作者的日益关注 据报道 日本石产业公司与一家大型工厂率先开发利用二氧化钛的光催化作用建立了一个新型的废水处理系统 用于降低废水中的COD和BOD 国内浙江农大等单位利用二氧化钛的光催化活性降解久效磷农药废水 中科院一研究所采用纳米二氧化钛粉末 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纳水溶液的实验获得成功 在多云 阴天的条件下 光照12小时 浓度为0 5mmol 1的苯酚已降解为零 浓度为lmmol 1的十二烷基苯磺酸钠也基本降解 初步表明 这是一项极有前途的实用性水处理技术 纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 23 或许正因为纳米技术具有超乎想像的神奇魔力才更加危险 它一旦渗入生物学领域将迅速改变农业和医学的面貌 人类生活方式也将在纳米技术与计算机和基因生物学的结合中迅速出现革命性的变革 纳米技术给人类带来的疑问 24 纳米技术让科学家能够以纳米尺度研究 定义及控制材料的结构特性 藉以创造新的物质 包括生命体 然而基因工程可不只是带来乐观后果 科学家用显微操作技术移动果蝇染色体的基因 结果培育出了比正常果蝇多长了一个胸脯和翅膀的果蝇 科学家已经可以通过基因操作把果蝇的眼睛搬到不该有眼的地方 把翅膀搬到不该长翅膀的地方 由此不难想像若用纳米技术操纵生物基因会制造出什么样的 怪物 来 纳米技术给人类带来的疑问 25 基因芯片就是典型的纳米技术与基因生物学结合的产物 人们通过基因芯片能迅速查出自己基因密码中的缺陷 并利用纳米技术对错误基因进行修正 然而当可以治愈各种遗传缺陷疾病和肿瘤的一天来到的时候 可怕的社会问题也许会随之而来 纳米技术给人类带来的疑问 26 对纳米最有兴趣的恐怕要数医药公司了 依靠纳米技术很容易把药物直接送到肺 心 肝 肾和大脑中去 能轻易进入皮肤 穿越血管 可是吉米指出 这些 伟大能力 治病救人却又很让人担心 因为它对人体的破坏性也同样巨大 他拿防晒霜为例说 普通防晒霜靠加入二氧化钛阻挡紫外线的辐射 二氧化钛在很多物质中存在 包括白色的油漆 因为它的反光度强 化学反应度低 二氧化钛在纳米尺度下颜色出现异变 由一般的白色变成透明 由二氧化钛纳米颗粒制作的防晒霜也是透明的 它挡住紫外光却允许其他光进入 纳米技术给人类带来的疑问 27 但去年一项科学研究指出 二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至细胞 并在细胞内产生自由基 破坏原有的基因 吉米说 事实上加入二氧化钛纳米微粒的防晒霜已和原先的产品不同 但法律常常滞后于科技 世界上还没有对纳米产品的制造及销售提出相应的规则 监管措施 也没有标识产品 消费者目前还无从选择 纳米技术给人类带来的疑问 28 医学界最津津乐道的是纳米技术渗入仿生学制出的机器人 吉米说 要知道 这种机器人可不是搞家庭卫生 看护婴儿或者制造汽车的那些大家伙 它们微小得几乎看不见 仅由数千个原子组成 可以在细胞之间工作 据说在瑞典研制的这种机器人由多层聚合物和黄金制作 有点像人的手臂 很灵活 能捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠 科学家希望它能在血液 尿液和细胞介质中工作 可以捕捉和移动单个细胞 然而正因无可替代和无与伦比的功能 它必将成为最有争议的技术 纳米技术给人类带来的疑问 29 这些纳米机器人移动和重新安排人体细胞中的原子排列顺序 被修改了的细胞按照新的指令发挥功能 科学家利用自然界原有的生命体 某些细菌 病毒等等 改造它们的生命过程 例如把细菌的尾巴去掉装上纳米管道 这种活的东西被称做 生物发动机 就是这样一批又一批功能相关的蛋白质组群可以在人的身体里不断替换更新 不断复制 原本细胞中发生的所有更新和运行都是按照DNA分子中的基因密码序列指令井然有序地进行的 纳米技术将可能仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人 它们在血管中负责清除血管壁上沉积物 进入组织间隙清除癌细胞 问题是还没人研究由此引发的负反应 纳米技术给人类带来的疑问 30 了不起的纳米技术还不止如此 它可以被做成纳米感应器 能准确感知农田中气温 水分 阳光 土壤中氮气的变化 随时把信息传到坐在屋子里的农民 农民按一个键便 种完了地 不用种苹果树就能收获苹果 这些都是让吉米等学者忧虑的问题 因为目前90 的纳米研究在美国手中 约10 在欧洲和日本手中 他们担心 工厂生产资源 的新格局将引起广泛的失业和世界市场的失衡 特别是对发展中国家构成威胁 纳米技术给人类带来的疑问 31 另一方面 不少科学家仍然质疑这些构想是否有可能出现或只是科幻小说的题材 正如中国科学院纳米科技项目首席科学家白春礼院士所说 一个崭新的纳米的世界提供给人类的将是不同于以往任何经验的东西 科学与技术不断给人类生活带来革命和挑战 远没有终结的时候 美国人认为纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机 而根据德国科技部的预期 到2010年纳米技术的市场会达到1 4万亿美元这么大的一个潜在市场 纳米技术给人类带来的疑问 32 上世纪90年代 纳米产品闯进世人生活 不断有大量信息向人们展示纳米技术给生活带来的奇妙变化 当咖啡不慎洒在裤子上时 完全不用担心它会弄脏你的裤子 因为这裤子是纳米纤维的料子做的 咖啡或其他油污 颜料都不会留在这种裤子上 当你遭遇粉碎性骨折时 用上纳米技术生产的骨头就不用担心走不了路或写不成字 你可以重新拥有自己的腿或胳膊 纳米技术给人类带来的疑问 33 根据报道 宝洁公司发现 把氧化锌纳米颗粒加入防晒剂 可以使防晒剂变得更加透明柔滑 消费者们会更加愿意每天都涂抹这种防晒剂 宝洁公司产品发言人MariaBurquest说 这种防晒剂涂层轻薄透明 没有残余物 更加适合于人们日常使用 不会起褶的裤子使用了一种由Nano TexLLC公司开发的纳米材料 把棉布在一种化学溶液中浸泡以后 就会产生防皱防污的效果 这是因为经过这种纳米材料处理后 棉纤维表面会形成一层由数十亿绒毛构成的气垫 少量液体滴到上面会形成水珠滑落 所以不仅抗皱而且防污 据报道 这种抗皱防污的纳米裤子从2001年就开始销售 尽管价格比普通棉布裤子贵十美元 但是仍然受到消费者的喜爱 纳米技术给人类带来的疑问 34 不易漏气的网球是在制造网球的橡胶中加入一种纳米材料 这种纳米材料把橡胶中可能漏气的细孔都给堵住了 所以网球维持气压 保持弹性的时间要比普通网球长一倍 这条消息中还举了其他一些例子 例如 柯达公司开发了一种数码相机 这种数码相机的显示屏更加明亮而且省电 这是因为这种显示屏采用了一种基于碳的新型分子 这种纳米技术可以广泛应用于电视机 计算机显示器等等 这条消息提供的主要信息是 纳米材料是福 所以世界各国愿意投巨资开发 纳米技术给人类带来的疑问 35 纳米材料污染环境 不过 就在同一天 绿色和平组织发出呼吁 要求在对各种新型纳米材料对环境影响进行充分的评估之前 不要把纳米材料应用于商品 7月25日 美国华尔街日报报道了绿色和平组织发出的警告 据称 绿色和平组织发表了一份长达70页的报告 报告警告说 目前世界各国在实验室中竞相开发的各种纳米材料 最终可能形成一系列难以生物降解的新型污染物 华尔街日报的文章指出 迄今为止 并没有证据表明纳米技术会造成环境污染 相反 人们还期望采用纳米技术治理环境污染 例如 美国环境保护署就资助一些研究小组的课题研究 采用某些纳米材料制造先进的水过滤器以治理水污染 36 英国绿色和平组织首席科学家DouglasParr认为 必须避免这样一种局面 就是少数机构在利益驱动下开发某些纳米材料 没有进行足够的环境影响评估就进行商品化 应当承认 绿色和平组织的担忧并非没有道理 在人类历史上 有过很多例子 例如 石油化工业的产品塑料以及塑料薄膜曾经被认为是能够改善人类生活的新材料 而塑料制品对于环境的影响则是在塑料制品大规模生产并普及应用多年以后才被人类充分认识 现在我们很难评估治理白色污染所需的代价 纳米材料污染环境 37 绿色和平组织的报告认为 现在各国政府都没有为新型纳米材料制定严格管理制度 这样 细微的纳米颗粒有可能经呼吸被吸入人体 从而危害人民健康 而且某些纳米材料可能与有害的金属结合 从而污染环境 纳米材料污染环境 38 有人不同意绿色和平组织的观点 纽约市纳米企业联盟的一位总监认为 绿色和平组织的成员可能是科幻小说看多了 他们对于纳米技术负面作用的看法很可能是受科幻小说的影响 例如 在一本名为 捕食 的科幻小说中 就描写了很多能致人死命的纳米机器人 也有人认为 有关纳米技术的宣传有点过热 IBM的一位纳米技术专家PhaedonAvouris对华尔街日报的记者说 人们对于纳米技术关注已经开始产生副作用 当人们过分炒作对于纳米技术的期望时 公众会认为我们的研究水平的实际要高很多 纳米材料污染环境 39 环境保护组织对于纳米技术潜在负面影响的关注已经有了回应 在六月 纳米企业联盟与环境保护组织还有环境保护署官员一起开会 以寻求共识 ETC是反对全球化的一个社会团体 今年早些时候该组织也发表了一份报告 对纳米技术研究进行批评 纳米材料污染环境 40 如果我们不公开发表批评意见 政府有关部门以及那些产业界的团体就不会关注这一问题 ETC的执行总监PatMooney如是说 在美国 环境保护署已经决定拨款400万美元开展有关评估纳米技术对环境影响的研究 美国环境保护署的科学家NoraSavage承认 目前有关环保以及劳动保护的法规都不适用于纳米材料 Savage女士说 由于纳米材料具有一些不寻常的特性 环境保护署正在考虑制定一些针对纳米技术研究的法规 纳米材料污染环境 41 纳米技术研究的支持者们担心 美国在纳米技术领域会落后于日本 因为如果按人口平均 美国在纳米技术领域的投资少于日本 最近发起的美国国家纳米研究计划打算每年在纳米技术领域投资七亿美元 美国军方相信 采用纳米技术 可以开发出先进的防弹材料 最近 美国军方已经同意投资5000万美元在麻省理工学院创建士兵纳米技术研究所 纳米材料污染环境 42 美国和日本一些大企业已经计划大量生产纳米碳管材料 这一动向引起了环境保护组织的担忧 在一些商业化的材料中 纳米碳管已经被采用 第一个问题是 在纳米碳管的生产过程中 工人是否可能吸入这种纳米材料从而影响健康 美国碳纳米材料公司总经理BobGower称 美国国家生产现场安全防护