纳米技术在环境科学中的应用

纳米技术在环境科学中的应用

纳米技术具有很大的理论和应用价值。纳米被称为“21世纪的最佳材料”。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。本文就纳米材料及其在环境保护领域的应用进行了阐述。1纳米的基本性质1.1金属颗粒及金属表面的稳定性用高倍电子显微镜对金超微颗粒(直径为2.1~3μm)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体等)的晶型,既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10μm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。1.2小尺寸效应的概念随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生特殊的光学、热学、磁学、力学、声学、超导电性、介电性能以及化学性能等一系列新奇的性质。2纳米在处理大气污染方面的应用2.1煤炭焦炉烟气燃烧二氧化硫、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Fe2O3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。2.2纳米复合材料的汽车尾气传感器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,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。2.3纳米tio2光催化降解细菌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TiO2的降解效果最佳。纳米TiO2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、手术室及生活空间安放纳米TiO2光催化剂可具有杀菌、除臭作用。3在水污染处理中的应用3.1米粒子的测定作用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。如纳米TiO2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。3.2有机物光催化氧化法大量研究表明纳米TiO2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TiO2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/TiO2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。3.3去除水中细菌、病毒新型纳米级净水剂的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂Al2O3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。4其他环境保护领域的应用4.1备等被纳米技术微型化的影响飞机、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。4.2超微粉末回收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: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TiO2催化技术可以使城市垃圾快速降解,其速度可达到大颗粒TiO2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。4.3纳米涂料的添加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。4.4照明电阻工程火力发电排放的CO2、SO2、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。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