纳米技术在环境保护中的应用

纳米技术在环境保护中的应用纳米技术在环境保护中的应用 纳米技术具有极大的理论和应用价值 纳米材料被誉为 21 世纪最有前途的材料 纳米技术研究在 0 1 100nm 尺度范围内物质具有的特殊性能及其应用 广义的纳米材料 是指在三维空间中 至少有一维达到纳米尺度范围 或以其为基本单位所构成的材料 纳 米材料具有辐射 吸收 杀菌 吸附等特性 众多研究表明这些新特性将在环境保护领域 产生深远的影响 一 一 纳米技术在水处理中的应用纳米技术在水处理中的应用 1 纳米催化剂 目 前 用 于水处理的纳米催化剂 主要指光催化剂 如 Ti02 Cd5 ZnO 等 其中 TiO 因其活性高 稳定性好 对人体无害而最受重视 Matthews 等 P1 曾对水中 34 种有机污染物 的光催化降解进行研究 结果表明该方法可将水中的烃类 卤代物 轻酸盐表面活性剂 染 料 含氮有机物 有机磷杀虫剂等污染物转化成 CO 和 H2O 等无害物质 利 用纳 米光催 化剂光催化降解有机废水是其最重要的用途之一纳米 TiO 玻璃薄膜光催化剂 可将玫瑰红 B 催化降解为 C02 H 20 及一些其它的简单无机物 用溶胶一箭胶法制备的 8 层粒径为 21 2nm 的锐钦矿 T102 存在于玻璃薄膜中 在 28 0 5 和振摇条件下 可使初始浓度为 9 87 x 10 一 10 46 10 6 的玫瑰红 B 在 150min 内的降解率达到 80 多 以高压汞灯为光源 反应速率对时间和浓度均为一级反应 21 用纳米二氧化钦粉末催化降解苯酚水溶液和十二 烷基苯磺酸钠水溶液 在多云的条件下 光照 12h 浓度为 0 5mg L 的苯酚已降解为零 浓度 为 lmg 几的十二烷基苯磺酸钠也基本降解 137 采用纳米二氧化钦催化降解技术来处理纺织 工业污水 省钱 高效 节能 最终能使有害有机物完全矿化 且不存在二次污染 2 处理无机污染废水 污水中的重金属对人体的危害很大 重金属的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同 如纳米 TiO 能将高氧化态汞 银 铂等 贵重金属离子吸附于表面 井将其还原为细小的金属晶体 既消除了废水的毒性 又回收了 贵重金属 3 处理有机污染废水 大量研究表明纳米 TiO 等作为光催化剂 在阳光下催化氧化水中的有机污染物 使其 迅速降解 至今为止己知纳米 TiO 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 CO 等无害物质图 例如 Pintar 等在间歇式反应器中纳米 Ru TiO 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 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 4 自来水的净化处理 新型纳米级净水剂 r7 的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂 AI 0 的 10 20 倍 能将污 水中悬浮物完全吸附并沉淀 然后采用纳米磁性物质 纤维和活性炭净化装置 有效地除去 水中的铁锈 泥沙以及异味等 再经过由带有纳米孔径的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 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 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 二 纳米材料在大气污染治理方面的应用二 纳米材料在大气污染治理方面的应用 1 空气中硫氧化物的净化 二氧化硫 一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体 如果在燃料燃烧的同时加 入纳米级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 如用纳米 Fe 0 作为催化剂 经纳米材料催化的燃料中硫的含量 小于 0 01 不仅节约了能源 提高能源的综合利用率 也减少了因为能源消耗所带来的 环境污染问题 而且使废气等有害物质再利用成为可能 2 汽车尾气净化 汽车尾气排放直接污染人们的生活空间及呼吸层 对人体健康影响极大 开发替代燃料 或研究用于控制汽车尾气对大气污染材料 对净化环境具有重要的意义 用纳米复合材料制 备与组装的汽车尾气传感器问 通过汽车尾气排放的监控 可及时对超标排放进行报警 并 通过调整合适的空燃比 减少富油燃烧 达到降低有害气体排放和燃油消耗的目的 纳米稀 土钛矿型复合氧化物对汽车尾气所排放的 NO CO 等具有良好的催化转化作用 可以替代 昂贵的重金属催化剂用作汽车尾气催化剂 3 室内空气净化 新装修房间空气中的有机物浓度大大高于室外 而光催化剂可以很好地降解甲醛 甲苯 等污染物 纳米 TiO 的降解效果最佳 纳米 TiO 经光催化产生的空穴和形成于表面的活 性氧膜化能与细菌细胞或细胞内组成成分进行生化反应 使细菌头单元失活而导致细胞死亡 并且使细菌死亡后产生的内毒素分解 即利用纳米 TiO 的光催化性能不仅能杀死环境中的 菌 而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物四 在医院的病房 手术室及生活空间安放 纳米 TiO 光催化剂可具有杀菌 除臭作用 三 纳米技术在环境监测中的应用三 纳米技术在环境监测中的应用 在 环 境 监测中 主要利用纳米技术的气敏性质做成化学传感器 用来监测大气中的 NOZ SO2 CO 等有害气体 纳米气敏材料中最常用的是 ZnO SnO2 TiO 等 其中部分己经投 人使用在 气 敏 物质中 应用最广泛的是 Sn02 它各方面需的能量和费用都较高 否则制 备的传感器的稳定性 选择性和灵敏性较差 二者很难兼得 最近 Cirera 等发现用微波射 线方法制备的纳米 SnO 传感器费用低 各方面性能都很优越 体现了极好的大批量生产的 前景 用此种方法可获得平均直径为 55nm 的未掺杂的粉末 直径为 66nm 的掺杂 0 2 Pt 粉 末和直径为 54nm 掺杂 I Pd 的粉末以 CO 作为实验气体 结果表明传感器的电阻与 CO 浓度 有较好的线性关系 其中掺杂以后的粉末在 1 一 1 000mg L 范围内都体现了很好的特性 对 于 NO 气体 同样具有较好的气敏特性 如果能制成监侧装置 将来肯定能有广泛的应用 1221Ti O 的 气敏性质早已为人们所熟知 但由于其工作条件苛刻 需在 1 100 下工作 因此主要用来监测 02 浓度 Guidi 等用 RF 磁溅射技术制备的 TiO 敏电极 在较低温度下对 CO 和 NO 体现了良好的气敏特性 在 350 800 范围内 对于含 有 20mg L 的 CO 和 NO 的空气和不含有污染物的空气有很好的分辨性能 四 在其它环保领域的应用四 在其它环保领域的应用 1 噪声控制 飞机 车辆 船舶等发动机工作的噪声可达上百分贝 容易对环境造成噪声污染 当机 器设备等被纳米技术微型化以后 其互相撞击 磨擦产生的交变机械作用力将大为减少 噪 声污染便可得到有效控制 运用纳米技术开发的润滑剂 既能在物体表面形成永久性的固态 膜 产生极好的润滑作用 大大降低机器设备运转时的噪声 又能延长设备的使用寿命册 2 固体废物处理 纳米技术及纳米材料应用于城市固体垃圾处理 主要有两个方面研 一是可以将橡胶制 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 二是 利用纳米 TiO 催化技术可以使城市垃圾 J 决速降解 其速度可达到大颗粒 TiO 的 10 倍以 上 从而缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力 3 防止电磁辐射 近年来电磁场对人体健康的影响问题已经成为一个新的研究热点 在强烈辐射区工作并 需要电磁屏蔽时 通过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 中科院理化所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 4 在照明工程方面的应用 火力发电排放的 CO SO 烟尘悬浮物等会引起温室效应 酸雨和环境污染 通过 照明节电可以带来巨大的社会 经济和生态效益 Iq 在照明工程中 最理想的节电措施是 充分利用太阳光来照明 利用一些纳米材料的光致发光特性是可行的办法 白昼吸收自然光 并贮存起来 晚上再直接把光射到需要的地方 这从多孔硅光致发光现象得到了验证 结语结语 随着纳米科技和纳米材料的研究深入 特别是纳米科技与环境保护和环境治理的进一步 有机结合 许多环保难题将会得到解决 有理由相信 纳米科技作为一门新兴科学 必将对 环境保护产生深远的影响 利用纳米科技解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然 趋势 参考文献 1 李采 曾广斌 纳米粒子 化学通抿 1995 6 29 31 2 李良果 郑庆龙 张克 纳米柱子结构分析 D 化工新型材料 1991 19 12 12 13 3 草爱苗 廖雷 蚋米技术及纳米材料在环境治理中的应用 中山大 学学报 自然科学版 2004 43 增刊 225 228 4 杨健森 蝻米环保技术的发展现状与前景 01 科技通报 2002 18 4 340 343 5 马荣萱 李继忠 纳来技术及其材料在环境保护中的应用 环境