纳米材料在环境保护中的应用08.ppt

1、纳米材料在环境保护中的应用 纳米材料 纳米材料是指三维空间中至少有一维处于 纳米尺度范围或者由它们作为基本单元构 成的材料。纳米材料由晶体、准晶、非晶 组成，其基本单元或者组成单元可以是原 子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜，它 既包括金属材料，也可包括无机非金属材 料和高分子材料。 纳米材料 当固体材料的尺寸进入纳米量级时，其本 身和由这些纳米粒子构成的纳米固体将会 出现一些基本效应，主要体现在以下四个 方面： 表面效应 量子尺寸效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应 纳米材料的基本效应 (1)(1)表面效应表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原

2、子占 相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速 增加，这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。增加，这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。 例如：粒径为例如：粒径为10nm10nm时，比表面积为时，比表面积为90m90m2 2/g/g；粒径；粒径 为为5nm5nm时，比表面积为时，比表面积为180 m180 m2 2/g/g；粒径为；粒径为2nm2nm时，时， 比表面积为比表面积为450 m450 m2 2/g./g.这样高的比表面积，使处于这样高的比表面积，使处于 表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加，表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加， 表面

3、原子的活性增强，引起纳米粒子表面原子输表面原子的活性增强，引起纳米粒子表面原子输 运和构型的变化，也引起表面电子自旋构像和电运和构型的变化，也引起表面电子自旋构像和电 子能谱的变化。子能谱的变化。 纳米材料的基本效应 (2)量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到纳米尺寸时，金属材料 的费米能级附近的电子能级从连续变为离 散的能级的现象和纳米导体中的最高被占 据轨道和最低空轨道的能级出现不连续， 能隙变宽的现象，统称为量子尺寸效应。 纳米微粒的量子尺寸效应导致其磁、光、 热、电和超导性等特征与宏观特征存在着 明显的不同。例如：ag微粒在1k时出现量 子尺寸效应，由导体变为绝缘体，其临界 粒径小于20nm

4、。 纳米材料的基本效应 (3)小尺寸效应 纳米颗粒的粒径减小到某一特定值时，晶 体周期性的边界条件被破坏，引起颗粒表 面层附近原子密度的减小，表现为材料宏 观的物理、化学性质发生了很大的变化， 称为小尺寸效应。 从而产生一系列新奇的性质。 纳米材料的基本效应 (3)小尺寸效应小尺寸效应 特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。 粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒 状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超 微颗粒对光的反射率通常可低于微颗粒对光的反

5、射率通常可低于l，约几微米的，约几微米的 厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近 纳米尺度时，出现反光现象。纳米纳米尺度时，出现反光现象。纳米tio2、纳米、纳米sio2、 纳米纳米al2o3 等对大气中紫外光很强的吸收性。等对大气中紫外光很强的吸收性。 热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显 著降低。当颗粒小于著降低。当颗粒小于10 nm 量级时尤为显著。例如，量级时尤为显著。例如， 金的常规熔点为金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到，当颗粒尺寸减小到2 nm 尺寸时的熔点仅为尺寸时的熔点仅为

6、327左右；银常规熔点为左右；银常规熔点为670， 超微银颗粒的熔点可低于超微银颗粒的熔点可低于100。 (3)小尺寸效应小尺寸效应 特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材 料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80am，而，而 当颗粒尺寸减小到当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加以下时，其矫顽力可增加1千千 倍，当颗粒尺寸约小于倍，当颗粒尺寸约小于6nm时，其矫顽力反而降低到时，其矫顽力反而降低到 零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽 力的特性，

7、已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应 用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将 磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明 显提高。纳米铜的强度比常态提高显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍；纳米金属比常倍；纳米金属比常 态金属硬态金属硬35倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因 为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，为纳米材料具有大的界面，

8、界面的原子排列相当混乱， 原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚 佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下 可以大幅度弯曲而不断裂。可以大幅度弯曲而不断裂。 纳米材料的基本效应 (4)量子隧道效应 电子能量低于势垒高度时，由于其具有波 动性而具有穿过势垒的几率，这就是隧道 效应。最近人们研究发现微粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量等宏观物理量也 具有隧道效应，称为宏观隧道效应。宏观 量子隧道效应的研究对基础研究及实用都 有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行 信息贮存的时间极限。 环境污

9、染 半导体光催化氧化 半导体光催化氧化 半导体光催化氧化 半导体光催化氧化 用于污水处理 光吸收-抗紫外 用于电磁辐射防护 用于大气污染 用于大气污染 白色污染 能源 纳米氧化锌在瓷砖生产中纳米氧化锌在瓷砖生产中 节能减排的应用节能减排的应用 1、纳米粉体材料与微米级的材料相比，其 晶体生长动力学指数和激活能都比较小， 因此在相同的烧结时间或者温度下，能获 得相对较大的晶粒尺寸； 2、纳米粉体尺寸小，表面积和表面原子所 占比例都很大，具有高的能量状态，压制 成材后的晶界能量高，在烧结过程中晶界 扩散效应强，因此在较低的温度下烧结就 能达到致密化，均匀化的目的，改善陶瓷材料的 性能，提高其使用的

10、可靠性。还可以从纳米材料的结构 层次上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材 料的潜在性能。 纳米氧化锌在瓷砖生产中纳米氧化锌在瓷砖生产中 节能减排的应用节能减排的应用 3、纳米材料具有较高的导热性能，利用纳 米氧化锌可显著降低陶瓷材料的烧结温度， 节约能源， 4、由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材 料的微观结构和宏观性能，如果粉料的颗 粒堆积均匀，烧成收缩一致且晶粒均匀长 大，那么颗粒越小，产生的缺陷越小，所 制备的材料的强度就相应越强。 纳米纳米zno粉体吸附废柴油有害物粉体吸附废柴油有害物 质质 纳米zno粉体能对废柴油中的有害物质如 ca，na，pb等具有良好的吸附效果, 纳米zn

11、o粉体具有较强吸附能力主要是因 为晶粒表面原子的不饱和性，以及粉体表 面具有一定吸附能力的新官能团如羰基、 羟基等。且粉体表面带有的羟基或羰基与 油样中的游离金属元素或不同氧化态金属 元素结合，产生一定的化学吸附。 纳米抗菌塑料纳米抗菌塑料 塑料表面的纳米zno在灯光的照射下，发 挥光催化氧化作用，被紫外光激发后产 生的超氧离子o2-和羟基自由基oh能穿 透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入 菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼 吸系统和电子传输系统，从而有效的杀 灭抗菌。纳米zno的加入量大于1.0%时, 抗菌率均保持在90%以上。 纳米氧化锌在橡胶的应用纳米氧化锌在橡胶的应用 在胶料配方中可用

12、纳米氧化锌代替普通 氧化锌，制胶工艺条件不变，其用量可 减少到使用普通氧化锌用量的60%。 使用纳米氧化锌的胶料，能改善胶料的 加工安全性，提高硫化胶的力学性能、 热空气老化性能及紫外老化性能，从而 对进一步提高产品内在质量，延长产品 使用寿命起到促进作用。 纳米氧化锌在橡胶的应用纳米氧化锌在橡胶的应用 大多数光稳定剂都是多功效的，包括纳米 氧化锌。实验发现经过一个月的自然填埋 实验，添加纳米氧化锌3份的硫化较物理性 能有所降低，通过红外光谱测试技术对胶 内部分子结构的变化分析，初步认为纳米 氧化锌的添加有促进材料降解的作用，为 人们研究降解性橡胶，降低环境污染提供 研究方向。 纳米氧化锌在橡

13、胶的应用纳米氧化锌在橡胶的应用 （4）当热解处理纳米氧化锌减量后的废胶时， 与传统废胶比较，其燃尽失重率大，传热 佳，能够更好地实现减量化，具有很好的 发展前景。， 纳米氧化锌在纳米氧化锌在eva发泡塑料中发泡塑料中 的应用的应用 氧化锌是重要的半导体氧化物，具有很 多优异性能。在eva的配方设计中， 氧化锌可中和体系中的酸性，也能降 低ac发泡剂的分解温度，增大发气量， 防止积垢形成。 纳米氧化锌在纳米氧化锌在eva发泡塑料中发泡塑料中 的应用的应用 纳米氧化锌的用量在eva发泡塑料中 可以减少40%左右。而且，减量后的 塑料具有以下特点：具有更好的耐 老化性能；更易紫外降解和填埋处 理；热

14、稳定性更好；焚烧后减量 化更好；锌的排放量更少，具有更 好的环境效益。 催化活性高，稳定，物美价廉催化活性高，稳定，物美价廉 提高催化剂活性 高比表面积，孔径均匀，高比表面积，孔径均匀， 活性基团丰富活性基团丰富 纳米纳米tio2-ag改性改性vacf处理氨气处理氨气 研 究 技 术 路 线 试 验 主 装 置 图 改性前 改性后 13 基本物化参 数发生变化 14 对氨气光催化降对氨气光催化降 解有利解有利 15 1020304050 0 5 10 15 20 25 30 35 氨气脱除效 率/% 氨气初始浓 度/ppm c 氨气初始浓度对氨气脱除影响氨气初始浓度对氨气脱除影响 16 改性v

15、acf用量对氨气脱除影响较高浓度氨气的较高浓度氨气的 处理可通过增加处理可通过增加 改性改性vacf的用量的用量 17 -20020406080100 120 140 160 180 200 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 氨气脱除率/% t/s rh=20% rh=40% rh=60% rh=80% rh=90% 相对湿度对氨气脱除影响 存在最存在最 佳佳 rh=60 % 18 -20020406080100 120 140 160 180 200 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 氨气脱除率/% t/s 20 25 30 35 温度对氨气脱除影响 总

16、总 体体 影影 响响 不不 大大 19 载银量对氨气脱除影响载银量对氨气脱除影响 020406080100120 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 氨气脱除率/% t/s 0wt% ag 3wt% ag 5wt %g 10 wt% ag 15wt% ag 20 020406080100120 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 nh3脱除率/% 时 间/s 0.022w/cm2 0.043w/cm2 光照强度对氨气脱除影响 有较明显有较明显 的影响的影响 21 22 -20020406080100 120 140 160 180 20

17、0 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 氨气脱除率/% t/s a-hv b-vacf c-hv+vacf d-hv+vacf+tio2 e-hv+vacf+tio2-ag f-vacf+tio2 g-vacf+tio2-ag h-hv+tio2-ag a h c d e f g b 纳米纳米tiotio2 2-ag-ag改改 性性vacfvacf效率最高效率最高 达达32.5%32.5% 0510152025303540 72 74 76 78 80 82 84 86 88 t/min 氨气脱除率/% 改性vacf再生性实验 改性vacf稳定性试验 再生方法再生方法 简单易行简单易行 23 等温吸附曲线langmuir拟合曲线 0.022 1 0.0091 e e e c q c 25 三种模型吸附动力学参数 r r2 2较较接近较较接近1 1 27 不同实验条件对氨气脱除的一级拟合不同实验条件对氨气脱除的一级拟合 模型值与实 验值更为接 近 28 实验值与模型计算一致性 01020304050 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 ro/(ppm/s) 氨气浓 度( ppm) 实验值 模拟值 3322 32 2233 2 (1) nhnhoo nho oonhnh kk