納米功能材料在環(huán)保中的應(yīng)用

1、納米功能材料及應(yīng)用課題：納米功能材料與環(huán)保 姓名：黃永興 學(xué)號： 09021039 班級：材料 92 書院：崇實(shí)書院 學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)校：西安交通大學(xué) 時(shí)間： 2010 年五月、八 、亠前言 納米技術(shù)具有極大的理論和應(yīng)用價(jià)值， 納米材料被譽(yù)為 “21 世紀(jì)最有前途 的材料”。納米技術(shù)研究在 0.1100nm 尺度范圍內(nèi)物質(zhì)具有的特殊性能及其 應(yīng)用。廣義的納米材料是指在三維空間中， 至少有一維達(dá)到納米尺度范圍， 或以 其為基本單位所構(gòu)成的材料。納米材料具有輻射、吸收、殺菌、吸附等特性，眾 多研究表明這些新特性將在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 本文就納米材料及其 在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了闡

2、述。關(guān)鍵詞 ：納米材料、環(huán)境保護(hù)、納米 TiO2一、納米材料及其性質(zhì)納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍 (1-100nm) 或由它們 作為基本單元構(gòu)成的材料 ，這大約相當(dāng)于 10100 個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0 1微米以下(注1米=1000毫米，1毫米=1000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃)，即10 0納米以下。因此，顆粒尺寸在110 0納米的微粒稱為超微粒材 料，也是一種納米材料。納米氧化鋁顯白色蓬松粉末狀態(tài)，晶型是丫 -AI2O3。粒徑是20nm；比表面積160m2/g。粒度分布均勻、純度高、

3、極好分散，其比表面高，具 有耐高溫的惰性，高活性，屬活性氧化鋁；多孔性；硬度高、尺寸穩(wěn)定性好，具有較 強(qiáng)的表面酸性和一定的表面堿性，被廣泛應(yīng)用作催化劑和催化劑載體等新的綠色化學(xué)材料?？蓮V泛應(yīng)用于各種塑料、橡膠、陶瓷、耐火材料等產(chǎn)品的補(bǔ)強(qiáng)增韌，特別是提 高陶瓷的致密性、光潔度、冷熱疲勞性、斷裂韌性、抗蠕變性能和高分子材料產(chǎn)品的 耐磨性能尤為顯著。極好分散，在溶劑水里面；溶劑乙醇、丙醇、丙二醇、異丙醇、乙二醇單丁醚、丙酮、丁酮、苯、二甲苯內(nèi)，不需加分散劑，攪拌攪拌即可以充分的分散均勻。在環(huán)氧樹脂，塑料等中，極好添加使用。主要性質(zhì)：表面效應(yīng)電子能級不連續(xù)效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子隧道效應(yīng)

4、庫倫阻塞效應(yīng) 介電限域效應(yīng)、納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用大氣污染一直是各國政府需要解決的難題， 空氣中超標(biāo)的二氧化硫 (SO2) 、一氧化碳 (CO) 和氮氧化物( NOC )是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用能夠最終解 決產(chǎn)生這些氣體的污染源問題。 工業(yè)生產(chǎn)中使用的汽油、 柴油以及作為汽車燃料的汽油、 柴 油等，由于含有硫的化合物在燃燒時(shí)會產(chǎn)生 S02 氣體，這是 S02 的最大污染源。所以石油 提煉工業(yè)中有一道脫硫工藝以降低其硫的含量。納米鈦酸鈷(CoTi03) 是一種非常好的石油脫硫催化劑。 以 55-70nm 的鈦酸鈷半徑作為催化活體多孔硅膠或 A1203 陶瓷作為

5、載體的 催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01 ，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)生產(chǎn)中使用的煤燃燒也會產(chǎn)生 S02 氣體，如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級助燒 催化劑不僅可以使煤充分燃燒， 不產(chǎn)生一氧化硫氣體， 提高能源利用率， 而且會使硫轉(zhuǎn)化成 固體的硫化物， 而不產(chǎn)生二氧化硫氣體， 從而杜絕有害氣體的產(chǎn)生。最新研究成果表明，復(fù) 合稀土化物的納米級粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能， 這是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能 比擬的。 它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳 (CO) 和氮氧化物 (NOx) 的污染問題。 以 活性碳作為載體、 納米 Zr0.5 Ce0.5 O2 ，粉體為催化活性體

6、的汽車尾氣凈化催化劑，由于 其表面存在 Zr4+ Zr3+ 及 Ce4+ Cr3+ ，電子可以在其三價(jià)和四價(jià)離子之間傳遞， 因此具 有極強(qiáng)的電子得失能力和氧化還原性， 再加上納米材料比表面大、 空間懸鍵多、 吸附能力強(qiáng)， 因此它在氧化一氧化碳的同時(shí)還原氮氧化物， 使它們轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害的氣體 - 二氧 化碳和氮?dú)狻?而更新一代的納米催化劑， 將在汽車發(fā)動機(jī)汽缸里發(fā)揮催化作用， 使汽油在燃 燒時(shí)就不產(chǎn)生 CO 和 NOx ，無需進(jìn)行尾氣凈化處理。1、空氣中硫氧化物的凈化二氧化硫、 一氧化碳和氮氧化物是影響人類健康的有害氣體， 如果在燃料燃 燒的同時(shí)加入納米級催化劑不僅可以使煤充分燃燒， 不

7、產(chǎn)生一氧化硫氣體， 提高 能源利用率，而且會使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物。如用納米FQ作為催化劑，經(jīng)納米材料催化的燃料中硫的含量小于 0.01%，不僅節(jié)約了能源，提高能源的綜合 利用率，也減少了因?yàn)槟茉聪乃鶐淼沫h(huán)境污染問題， 而且使廢氣等有害物質(zhì) 再利用成為可能。2、汽車尾氣凈化汽車尾氣排放直接污染人們的生活空間及呼吸層， 對人體健康影響極大。 開 發(fā)替代燃料或研究用于控制汽車尾氣對大氣污染材料， 對凈化環(huán)境具有重要的意 義。用納米復(fù)合材料制備與組裝的汽車尾氣傳感器，通過汽車尾氣排放的監(jiān)控， 可及時(shí)對超標(biāo)排放進(jìn)行報(bào)警， 并通過調(diào)整合適的空燃比， 減少富油燃燒， 達(dá)到降 低有害氣體排放和燃油消耗的

8、目的。 納米稀土鈦礦型復(fù)合氧化物對汽車尾氣所排 放的NO CC等具有良好的催化轉(zhuǎn)化作用，可以替代昂貴的重金屬催化劑用作汽 車尾氣催化劑。3 、室內(nèi)空氣凈化新裝修房間空氣中的有機(jī)物濃度大大高于室外， 而光催化劑可以很好地降解 甲醛、甲苯等污染物，納米 TiC2 的降解效果最佳。納米 TiC2 經(jīng)光催化產(chǎn)生的空 穴和形成于表面的活性氧膜化能與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)組成成分進(jìn)行生化反應(yīng)， 使 細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡， 并且使細(xì)菌死亡后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解， 即利用 納米Ti02的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放 出的有毒復(fù)合物呵。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間安放納米 Ti02

9、光催化劑可 具有殺菌、除臭作用。三、納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理 就是將這些物質(zhì)從水中去除。 由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、 成本高、 存在二次污染等問題， 污水治理一直得不到很好解決。 納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。 污水中的 貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。 它從污水中流失， 也是資源的浪費(fèi)。 新的一種納米技術(shù)可 以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水 劑具有很強(qiáng)的吸附能力。 它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的 1020 倍。因此 它能將污水中懸浮物

10、完全吸附并沉淀下來，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭的凈化裝置， 能有效地除去水中的鐵銹、 泥沙以及異味等污染物。 經(jīng)前二道凈 化工序后， 水體清澈，沒有異味，口感也較好。再經(jīng)過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有 不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以將水中的細(xì)菌、病毒100去除，得到高質(zhì)量的純凈水， 完全可以飲用。 這是因?yàn)榧?xì)菌、病毒的直徑比納米大， 在通過納米孔徑的膜 和陶瓷小球時(shí)， 就會被過濾掉， 水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。 該技 術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域血透中已開始應(yīng)用，有“體外腎臟”之稱。肝、腎功能衰竭者飲用這種水后， 會大大減輕肝、腎臟的負(fù)擔(dān)。1

11、 處理無機(jī)污染廢水污水中的重金屬對人體的危害很大， 重金屬的流失也是資源的浪費(fèi)。 納米粒子能對水中 的重金屬離子通過光電子產(chǎn)生很強(qiáng)的還原能力。如納米TiO2 能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面， 井將其還原為細(xì)小的金屬晶體， 既消除了廢水的毒性， 又回收了貴 重金屬。2 處理有機(jī)污染廢水大量研究表明納米 TiO2 等作為光催化劑，在陽光下催化氧化水中的有機(jī)污染物，使其 迅速降解。 至今為止己知納米 TiO 2能處理 80 余種有毒污染物， 它可以將水中的各種有機(jī)物 很快完全催化氧化成水和 CO 等無害物質(zhì)圖。例如 Pintar 等在間歇式反應(yīng)器中納米 Ru/TiO 2 作催化劑，對

12、酸性或堿性牛皮紙漂白廢水進(jìn)行光催化降解，廢水中的有機(jī)總碳 TOC 的去除 率可達(dá)到 99.6%，并使廢水完全脫色。 經(jīng)光催化濕空氣氧化處理后的工廠廢水對弧菌的毒性 的實(shí)驗(yàn)表明，用該方法處理后的工廠漂白廢水完全可以進(jìn)一步生物降解。3 自來水的凈化處理新型納米級凈水劑 的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑Al 2O3的1020倍，能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀， 然后采用納米磁性物質(zhì)、 纖維和活性炭凈化裝置， 有效地除去水 中的鐵銹、 泥沙以及異味等。 再經(jīng)過由帶有納米孔徑的處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小 球組裝的處理裝置后，可以100%除去水中的細(xì)菌、病毒，得到高質(zhì)量的純凈水。這是因?yàn)榧?xì)菌、 病毒

13、的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時(shí)，會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。四、在其它環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用1 噪聲控制飛機(jī)、 車輛、船舶等發(fā)動機(jī)工作的噪聲可達(dá)上百分貝，容易對環(huán)境造成噪聲污染。當(dāng)機(jī)器設(shè)備等被納米技術(shù)微型化以后， 其互相撞擊、 磨擦產(chǎn)生的交變機(jī)械作用力將大為減少， 噪 聲污染便可得到有效控制。 運(yùn)用納米技術(shù)開發(fā)的潤滑劑， 既能在物體表面形成永久性的固態(tài) 膜，產(chǎn)生極好的潤滑作用，大大降低機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，又能延長設(shè)備的使用壽命8 。2 固體廢物處理納米技術(shù)及納米材料應(yīng)用于城市固體垃圾處理， 主要有兩個(gè)方面： 一是可以將橡膠制品、 塑料制品、 廢印刷電路

14、板等制成超微粉末，除去其中的異物， 成為再生原料回收； 二是利用 納米TiO2催化技術(shù)可以使城市垃圾快速降解，其速度可達(dá)到大顆粒TiO2的10倍以上，從而緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。3 防止電磁輻射近年來電磁場對人體健康的影響問題已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 在強(qiáng)烈輻射區(qū)工作并 需要電磁屏蔽時(shí)， 通過在墻內(nèi)加入納米材料層或涂上納米涂料， 能大大提高遮擋電磁波輻射 性能。中科院理化所利用納米技術(shù)研究出了新一代手機(jī)電磁屏蔽材料，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)信號抗干擾能力，同時(shí)大大降低電磁波輻射。5 在照明工程方面的應(yīng)用火力發(fā)電排放的 CO2、SO?、煙塵懸浮物等會引起溫室效應(yīng)、酸雨和環(huán)境污染，通過照 明節(jié)

15、電可以帶來巨大的社會、 經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。 在照明工程中， 最理想的節(jié)電措施是充分利 用太陽光來照明， 利用一些納米材料的光致發(fā)光特性是可行的辦法， 白晝吸收自然光并貯存 起來，晚上再直接把光射到需要的地方。這從多孔硅光致發(fā)光現(xiàn)象得到了驗(yàn)證。五、納米 TiO2 與環(huán)境保護(hù)由于納米 TiO2 除了具有納米材料的特點(diǎn)外， 還具有光催化性能， 使得它在 環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。1 降解空氣中的有害有機(jī)物： 近年來，隨著室內(nèi)裝潢涂料油漆用量的增加， 室內(nèi)空氣污染越來越受到人們的重視。 調(diào)查表明， 新裝修的房間內(nèi)空氣中有機(jī)物濃度高于室 外，甚至高于工業(yè)區(qū)。 目前已從空氣中鑒定出幾百種有機(jī)物質(zhì)

16、， 其中有許多物質(zhì)對人體有害， 有些是致癌物。 對室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、 甲笨等的研究結(jié)果表明， 光催化劑可以很好 地降解這些物質(zhì)，其中納米 TiO2 的降解效率最好，將近達(dá)到 1 00。其降解機(jī)理是在光照 條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、 水和有機(jī)酸。 納米 TiO2 的光催化劑也可用于石油、 化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。2它可以降解有機(jī)磷農(nóng)物： 這種 70 年代發(fā)展起來的農(nóng)藥品種占我國農(nóng)藥產(chǎn) 量的 80，它的生產(chǎn)和使用會造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2 來催化降解可以得到根本解決。3 用納米 TiO2 催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水 ：具有省資、

17、高 效、節(jié)能，最終能使有機(jī)物完全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用前景。4 石油開采運(yùn)輸： 在石油開采運(yùn)輸和使用過程中 ，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢 棄在地面、江湖和海洋水面，用納米 TiO2 可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。5垃圾降解 ：用納米 TiO2 可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的 10 倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。6除臭：一般常用的殺菌劑 Ag 、Cu 等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋 放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。 利用納米 TiO2 的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌， 而且

18、能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。 在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場所安放納米 TiO2 光催化劑還具有除臭作用。7自潔效應(yīng)納 ：米 TiO2 由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有 自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。如將 TiO2 玻璃鍍膜置于水蒸 氣中，玻璃表面會附著水霧，紫外線光照射后，表面水霧消失，玻璃重又變得透明。在汽車 擋風(fēng)玻璃、后視鏡表面鍍上 TiO2 薄膜，可防止鏡面結(jié)霧。實(shí)驗(yàn)表明，鍍有納米 TiO2 薄膜 的表面與未鍍 TiO2 薄膜的表面相比，前者顯示出高度的自清潔效應(yīng)。一旦這些表面被油污 等污染，因其表面具有超親水性，污染不易在表面

19、附著， 附著的少量污物在外部風(fēng)力、 水淋 沖力、自重等作用下，也會自動從 TiO2 表面剝離下來，陽光中的紫外線足以維持 TiO2 的 薄膜表面的親水特性， 從而使其表面具有長期的自潔去污效應(yīng)。 這一特性的開發(fā)利用將改變 人們對涂層功能的認(rèn)識，從而給涂層材料帶來-次新的革命。今后將廣泛應(yīng)用于汽車表面涂 層、建筑物玻璃外墻等。由于納米 TiO2 光催化劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗磨損性能好、 成本低、 制備的薄膜透明等優(yōu)點(diǎn)， 已成為目前最引人注目的環(huán)境凈化材料， 更重要的是能直 接利用太陽光、太陽能、普通光源來凈化環(huán)境。六、納米材料在環(huán)境產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢：環(huán)境產(chǎn)業(yè) ; 納米技術(shù)對空氣 20 納米以及水的 200 納米污染物的降解是不可替代的 技術(shù)。要凈化環(huán)境，必須用納米技術(shù)?，F(xiàn)在已經(jīng)制備成功了一種對甲醛、氮氧化物、一氧化 碳能夠降解的設(shè)備，可使空氣的大于10ppm的有害氣體降低到 O.lppm，該設(shè)備已進(jìn)入實(shí)用化生產(chǎn)階段； 利用多孔小球組合光催化納米材料， 已成功用于污水有機(jī)物的降解， 對苯酚等 其它傳統(tǒng)技術(shù)難以降解