纳米材料的应用1

随着社会经济的发展，环境保护越来越受到人们的重视。旧有的环保技术与材料已远远不能满足人们的需要，因此要求开发新型的高效环保材料。纳米材料因其特有的颗粒尺寸和表面特性及其纳米材料特有的光催化剂性质及其抗菌、除臭、消毒等性质。在环保领域具有十分重要的应用前景。纳米材料既可用于治理有害废水又可用于治理大气污染等环境问题。近年来研究出的纳米7巧q、纳米zno等均在环保中展现出良好的应用前景。2纳米材料在大气污染治理方面的应用

2.1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[4]，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[5]。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在水污染治理方面的应用

3.1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[6]。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处理有机污染废水

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自来水的净化处理

新型纳米级净水剂[7]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在其它环保领域的应用

4.1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[8]。4.2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[9]：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。4.5在照明工程方面的应用

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[10]。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。5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1．3在环保方面的应用纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用；减少水资深消耗；减少废物的产生；治理环境污染物及大气污染。(1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，纳米技术的发展和应用可以彻底解决这一问题。纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外，另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水，并已走出实验室而进入实用阶段J。利用纳米TiO表面具有超亲水性和超亲油性的特点，在玻璃表面涂覆纳米TiO可以制成自清洁外墙玻璃，具有防污、防雾、易洗、易于、自清洁等功能。它的出现使玻璃具有了自纳米净水剂的超强吸附和絮凝能力将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，然后使水通过由纳米磁性物质、纤维和活性炭组成的净化装置，除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物，再使水通过由纳米孔径的水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装成的过滤装置，可以将水中的细菌、病毒几乎100％去除，得到完全可以饮用的高质量纯净水。(2)在大气污染的治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题¨。纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等，在燃烧时会产生二氧化硫气体，这是二氧化硫最大的污染源。纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂，经它催化的石油中硫的含量达到国际标准。煤燃烧也会产生二氧化硫气体，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，而且会使硫转化成固体的硫化物，而不产生二氧化硫气体。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能，是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房问的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，其中有些是致癌物。研究表明，纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物，降解效果几乎可达到100％。以55～70nm的CoTiO负载到多孔硅胶或A10，陶瓷载体上制成的石油脱硫催化剂可用于炼油脱硫工艺，催化效率很高，催化后石油中硫的含量可小于0．01％；纳米Zr0Ce0：粉体负载到活性炭上，因其表面存在Zr／Zr¨及Ce／Cr¨电对，具有极强的电子得失能力，在氧化CO的同时能够还原NO，使它们转化为对人体和环境无害的CO和N气体，这种催化剂已经用于汽车尾气净化装置；纳米TiO能够降解空气中的有机物、杀菌除臭并在杀死细菌的同时，降解由细菌释放出的有毒物质。(3)城市固体垃圾处理方面的应用将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理，主要表现在两个方面11A2]：一方面可以将橡胶制品、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；另一方面，可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解，其降解速度是大颗粒二氧化钛的l0倍以上，从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。1．1在催化方面的应用纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积，表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点，导致表面的活性位置增加，使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出，随着纳米粒子的粒径的减小，微粒表面的光滑程度变差，凹凸不平的原子台阶逐步形成，能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性，可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度J。起化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属(Ag，Pd，Pt，Rh等)的纳米粉末为主，Fe，co，Ni等贱金属纳米粉末也得到了一定应用。一些金属纳米粒子作为催化剂时，除了提高反应速率外，还具有良好的选择性，并且这种选择性与纳米粒子的颗粒度有关。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上，能够进一步增加催化剂的选择性。目前，此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作为催化剂，如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃料后，对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用，同时不会增加尾气中的硫含量。除化学催化作用以外，半导体纳米粒子的光催化作用已经引起人们的广泛重视并在催化降解有机物等方面得到了一定应用。半导体纳米粒子在光的照射下，其价带电子可以跃迁到导带，价带的空穴能够把周围有机物中的一些电子夺过来，使有机物中的部分短链基团变成自由基，作为强氧化剂而使酯类、醇类、醛类和酸类有机物发生一系列变化，最终降解为CO：。半导体纳米粒子的粒