国家城市给水排水工程技术研究中心

1、国家城市给水排水工程技术研究中心 张悦 姚念民 摘要：纳米技术是一种具有深刻理论研究价值和广泛应用前景的高新技术，被誉为本世纪最具应用开发前途的产业技术之一。广义地讲，几乎每一项纳米技术的应用，都会对我们现有的生存环境直接或间接地产生影响。本文对近几年国内外纳米科技的成果情况及发展动态进行了综述，特别是对于纳米技术在环境领域的应用以及其潜在突破作了较为深入的分析。关键词：纳米技术 纳米材料 环境保护1 关于纳米技术目前，各个国家和不同行业对纳米技术的定义解释略有不同。但科学上已经达成共识，纳米技术是指在纳米（1nm-100nm）尺度范围内，研究电子、原子、分子和分子内在规律和特征，并用于制造各

2、种物质的一门崭新的综合性科学技术。纳米技术包括纳米结构和纳米材料两部分。纳米结构指的是在纳米尺度上构架功能性结构，比如单电子开关、纳米元器件等；纳米材料指的是构成材料的结构单元的尺度是纳米尺度，并且用到的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质。纳米尺度的物质颗粒比宏观尺度（微米）小，比微观尺度（0.1纳米）大，此时量子效应开始影响到物质的性能和结构。由纳米结构单元构成的纳米材料，在机械性能、磁、光、电、热等方面与普通材料有很大不同，具有辐射、吸收、催化、吸附以及二元协同性等新特性。人们普遍认为，纳米技术在今后10-50年内将改变几乎每一件人造物体的特性，材料性能的重大改善和制造模式的改变也将

3、引发一场工业革命。不难设想，纳米技术在未来的绿色革命中将大显身手，给环境保护带来革命性变化。2 纳米元材料在能源方面的研究利用谈环境往往离不开谈能源，使用能源的种类以及使用能源的方式决定着对环境的影响是积极的还是消极的。1、节能方面：纳米技术是从原子和分子开始制造材料和产品的技术。这种从小到大的制造方式需要的材料较少，造成污染程度低。在我国已有微马达、微传感器等纳米微机电系统元件问世。由于纳米技术导致产品微型化，使所需资源减少，不仅可以达到“低消耗、高效益”的可持续发展目的，而且成本低廉。可以预测，未来资源浪费、造价昂贵的大型机械设备会逐步淘汰，以实现资源消耗的“零增长”。 2、储能方面：物理

4、和化学方法储氢，需昂贵的设备。而碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。这种材料如果用于燃料电池汽车中的储氢材料，可以有效避免空气污染或排放温室气体。人们很早就知道，某些固体材料（如金属氢化物等）在室温条件下可以储存少量的氢（约为自重的1%-2%）。有些金属氢化物可储存更多的氢（为其自重的5%-7%），但所需的储氢温度极高，为250甚至更高。然而，碳纳米管和纳米纤维即使在室温下也能很好的吸收氢，每个颗粒都是一个微小的吸氢“海绵”。这种材料就有广阔的应用前景，可用来制造燃料电池汽车中的氢容器。添加燃料时只需将汽车驶入加油站，将空的氢容器注满氢即可。美国再生能源实验室的赫宾是该领域的带头人，他

5、认为主要与碳纳米材料的表面结构有关。麻省理工学院的德雷斯尔豪斯及其同事所从事的研究支持这一观点，并将其成果发表在近期的科学上。美国能源部的计算结果表明，碳材料只要储存其自重6.5%的氢，就可使燃料电池汽车具有实用价值（设定两个加油站间的距离是500公里，即310英里）。我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性，力争使碳纳米管材料和器件实用化。3、能源转换方面：由于存在介观物质的小尺寸效应，当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这一特殊的光学性质，可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率转变

6、为热能或电能。从某种意义上说，纳米技术的出现极有可能改变能源消费与环境保护之间长期存在的矛盾。3 纳米技术在对水、空气的处理方面的应用1、纳米材料吸附能力的开发利用纳米材料的基本构成决定了它超强（10倍以上）的吸附能力。我们知道，污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、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偏低、成本高等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能解决这一难题。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。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

7、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凝聚并沉淀下来，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。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。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。 2、纳米材料催化能力的利用研究表明，纳米技术还可以制成非常好的催化剂

8、，纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性（表面键态与内部不同，表面原子配位不全等），因而，其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂，甚至使原业不能进行的反应也能完全进行。目前的研究表明，纳米催化材料对催化氧化、还原、裂解反应都具有很高的活性和选择性；对光解水制氢及一些有机合成反应也具有明显的光催化活性。纳米级的TiO2由于表面具有大量的悬键，这些悬键可在能隙中形成缺陷能级，使纳米TiO2表面具有很高的活性。这对纳米TiO2的光学性质有很大影响。当波长小于387.5nm的光子照射TiO2的表面后，处于价带的电子就会被激发到导带上去，从而分别在价带和导带上产生高活性的光生空穴（h+）和光生电子（

9、e-）。在不同条件下，h+和e-发生分离，迁移到粒子表面的不同位置，经一系列的反应生成含氧小分子活性物种（O:、OH:、HO2:等）。纳米TiO2所具有的光催化氧化活性，在降解体和空气中的有机污染物时表现出明显效果，有机物和细菌可被其分解氧化为CO2和H2O。经研究发现，纳米TiO2对于水中的卤代脂肪烃、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环芳烃、烃类、酚类、表面活性剂、农药等都能有效的进行光催化反应，达到除毒、脱色、矿化，最终分解为CO2和H2O，从而消除有机物对环境的污染。东京大学工学部的腾岛昭教授等证明，纳米TiO2对绿脓杆菌、大肠杆金黄色葡萄球菌等有很强杀菌力，可用于医院手术台和墙壁

10、、浴缸瓷砖等地方。纳米TiO2能对水中的重金属离子通过光生电子产生很强的还原能力，废水中Cr6+具有较强的致癌性，其毒性比Cr3+高出100倍，地表水中Cr6+最高允许含量为0.1mg/l。通过TiO2的光催化还原，可使85%的Cr6+被还原，这在实际应用中对处理含Cr废水有着重要意义。目前，纳米TiO2光催化剂作用正在引发一场所谓“光洁净革命”。 另外，工业生产中使用的燃料油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含硫化合物在燃烧时会产生SO2气体，成为SO2污染源之一，所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫含量。纳米钛酸钴（CoTiO3）是一种非常好的石油脱硫催化剂。以55nm-70nm为

11、半径的钛酸钴作为催化活体，多孔硅胶或Al2O3陶瓷作为载体制成催化剂，其催化效率极高。经它催化的燃油中硫的含量小于0.01%，达到国际标准。工业生产中使用的煤燃烧产生的SO2是SO2最大的污染源，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，不产生一氧化碳氧化碳气体，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，降低二氧化硫排放。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，这是其它汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以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Zr0.5 Ce0.5 O2粉体为催化活性体的汽车尾

12、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。 3、噪声控制经检测，收音机车辆、船舶等发动机工作的噪声可达到上百分贝，容易对人造成危害。但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，得以大大降低机器设备运转时的噪声，又能

13、处长它的使用寿命。另外，在强磁性纳米粒子外包裹 层长链的表面活性剂，使其稳定地分散在基液中形成胶体，即得到磁流体。这种磁流体可以用于旋转轴的密封。这种轴密封的优点是完全密封、无泄漏、无磨损、不发热、轴承寿命长、不污染环境、构造简单等，主要用于防尘密封和真空密封等高精尖设备及航天器等。 研究者认为，纳米粒子的抗摩减摩机理主要通过以下三条途径实现：1）类似“微轴承”作用，减少磨擦阻力，降低磨擦系数；2）在磨擦条件下，纳米微粒在磨擦副表面形成一个光滑保护层；3）填充磨擦副表面的微坑和损伤部位，使其表面缺陷修复。也有些学者认为，纳米微粒添加剂的作用机理不同于传统添加剂，与其本身所具有的纳米效应有关，在

14、磨擦过程中，因磨擦表面局部温度高，尤其在高负荷下，纳米微粒特别像n-TiO2这类微粒极有可能处于熔化、半熔化或烧结状态，从而形成一层纳米膜。纳米膜不同于一般的薄膜。另外纳米微粒具有极高的扩散力和自扩散能力（比体相材料高十几个数量级），容易在金属表面形成具有极佳抗摩性能的渗透层或扩散层，表现出“原位磨擦化学原理”（In-situ tribo-chemical treatmentxxum）。这种机理认为，纳米添加剂，尤其在高负荷条件下它们的润滑作用不再取决于添加剂中的元素是否对于基体是化学活性的，而很大程度上决定于它们是否与基体组分形成扩散层或渗透层和固溶体。纳米添加剂的这一性能，解决了在润滑油添

15、加剂分子设计上长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况，为解决由于S、P、Cl对基体金属造成的腐蚀、降低油品安定性和带来的环境问题，展示了美好应用前景。4、防止电磁辐射近年来，有关工频电磁场对人体健康的影响问题已从所周知。若在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，可以在墙内加入纳米材料层，或者涂上纳米涂料，就能大大提高遮挡电磁波辐射性能。我们知道，紫外线对人体的害处极大，但有的纳米微粒可以吸收紫外线对人体有害的部分，从而使纳米粒子在防紫外线方面也有较大的应用前景。 5、监测环境污染据近期的科学杂志报道，斯坦福大学的研究人员发展碳纳米管可以用于探测有毒的二氧化氮和氨气。氮氧化物（NOx）和氨气（NH3）可

16、导致酸雨和温室效应，因此其在大气中的含量必须适时监测。现有监测技术成本高，不便移动作业。与现有检测仪器不同的是，利用纳米技术研制的探测器是由两端连接着金属导线的纳米碳管组成。该探测器可以在室温下用于监测氮氧化物（NOx）和氨气（NH3）浓度，造价低廉，并且体积微小，只有3um长，仿佛是用微芯片进行化学分析的“芯片实验室”。弗吉尼亚海洋研究所的化学家艾丽丝·安德森和美国环保局的化学工程师威廉姆·里纳克认为：该技术对二氧化氮、氨气等进行监测很有价值，例如，测量燃煤烟气中这两种气体的浓度可以监测除污系统的有效性。 6、再谈纳米催化剂的综合利用除了前文提到过的，纳米材料的比表面积大

17、，表面活性中心多，为其做催化剂提供了必要条件。国际上已将纳米材料作为第四代催化剂进行了研究与开发。纳米材料的催化剂在环保领域的应用还有以下几个方面。例如，纳米氧化锌可作为光催化剂，在紫外光的照射下，它能分解一些有机物质，实现抗菌和除臭。这一性质已被广泛应用于纤维、化妆品、陶瓷、玻璃、建材和环境工程等工业中。又如，30nm的镍用作环辛二烯加氢催化剂时，选择性为210；而传统的镍催化剂其选择性只有24。再如，用纳米Fe2O3作为催化剂，可以在较低的温度（270-300）下分解CO2，经纳米材料催化的石油中硫的含量小于0.01%。这些催化剂的使用不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也另一方面减少了因为能源消耗所带来的环境问题，并进一步使废气等有害物质再利用成为可能。纳米技术在环境与能源领域的潜在突破还有：用纳米机器人和智能系统进行环境和