國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心

1、國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心 張悅 姚念民 摘要：納米技術(shù)是一種具有深刻理論研究價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)，被譽(yù)為本世紀(jì)最具應(yīng)用開發(fā)前途的產(chǎn)業(yè)技術(shù)之一。廣義地講，幾乎每一項(xiàng)納米技術(shù)的應(yīng)用，都會(huì)對(duì)我們現(xiàn)有的生存環(huán)境直接或間接地產(chǎn)生影響。本文對(duì)近幾年國內(nèi)外納米科技的成果情況及發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜述，特別是對(duì)于納米技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用以及其潛在突破作了較為深入的分析。關(guān)鍵詞：納米技術(shù) 納米材料 環(huán)境保護(hù)1 關(guān)于納米技術(shù)目前，各個(gè)國家和不同行業(yè)對(duì)納米技術(shù)的定義解釋略有不同。但科學(xué)上已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，納米技術(shù)是指在納米（1nm-100nm）尺度范圍內(nèi)，研究電子、原子、分子和分子內(nèi)在規(guī)律和特征，并用于制造各

2、種物質(zhì)的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)包括納米結(jié)構(gòu)和納米材料兩部分。納米結(jié)構(gòu)指的是在納米尺度上構(gòu)架功能性結(jié)構(gòu)，比如單電子開關(guān)、納米元器件等；納米材料指的是構(gòu)成材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度是納米尺度，并且用到的材料性質(zhì)是這個(gè)尺度上物質(zhì)特有的非常規(guī)性質(zhì)。納米尺度的物質(zhì)顆粒比宏觀尺度（微米）小，比微觀尺度（0.1納米）大，此時(shí)量子效應(yīng)開始影響到物質(zhì)的性能和結(jié)構(gòu)。由納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的納米材料，在機(jī)械性能、磁、光、電、熱等方面與普通材料有很大不同，具有輻射、吸收、催化、吸附以及二元協(xié)同性等新特性。人們普遍認(rèn)為，納米技術(shù)在今后10-50年內(nèi)將改變幾乎每一件人造物體的特性，材料性能的重大改善和制造模式的改變也將

3、引發(fā)一場(chǎng)工業(yè)革命。不難設(shè)想，納米技術(shù)在未來的綠色革命中將大顯身手，給環(huán)境保護(hù)帶來革命性變化。2 納米元材料在能源方面的研究利用談環(huán)境往往離不開談能源，使用能源的種類以及使用能源的方式?jīng)Q定著對(duì)環(huán)境的影響是積極的還是消極的。1、節(jié)能方面：納米技術(shù)是從原子和分子開始制造材料和產(chǎn)品的技術(shù)。這種從小到大的制造方式需要的材料較少，造成污染程度低。在我國已有微馬達(dá)、微傳感器等納米微機(jī)電系統(tǒng)元件問世。由于納米技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)品微型化，使所需資源減少，不僅可以達(dá)到“低消耗、高效益”的可持續(xù)發(fā)展目的，而且成本低廉?？梢灶A(yù)測(cè)，未來資源浪費(fèi)、造價(jià)昂貴的大型機(jī)械設(shè)備會(huì)逐步淘汰，以實(shí)現(xiàn)資源消耗的“零增長”。 2、儲(chǔ)能方面：物理

4、和化學(xué)方法儲(chǔ)氫，需昂貴的設(shè)備。而碳納米材料可以提供一種有效而清潔的儲(chǔ)氫方式。這種材料如果用于燃料電池汽車中的儲(chǔ)氫材料，可以有效避免空氣污染或排放溫室氣體。人們很早就知道，某些固體材料（如金屬氫化物等）在室溫條件下可以儲(chǔ)存少量的氫（約為自重的1%-2%）。有些金屬氫化物可儲(chǔ)存更多的氫（為其自重的5%-7%），但所需的儲(chǔ)氫溫度極高，為250甚至更高。然而，碳納米管和納米纖維即使在室溫下也能很好的吸收氫，每個(gè)顆粒都是一個(gè)微小的吸氫“海綿”。這種材料就有廣闊的應(yīng)用前景，可用來制造燃料電池汽車中的氫容器。添加燃料時(shí)只需將汽車駛?cè)爰佑驼?，將空的氫容器注滿氫即可。美國再生能源實(shí)驗(yàn)室的赫賓是該領(lǐng)域的帶頭人，他

5、認(rèn)為主要與碳納米材料的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。麻省理工學(xué)院的德雷斯?fàn)柡浪辜捌渫滤鶑氖碌难芯恐С诌@一觀點(diǎn)，并將其成果發(fā)表在近期的科學(xué)上。美國能源部的計(jì)算結(jié)果表明，碳材料只要儲(chǔ)存其自重6.5%的氫，就可使燃料電池汽車具有實(shí)用價(jià)值（設(shè)定兩個(gè)加油站間的距離是500公里，即310英里）。我國科學(xué)家也正在積極系統(tǒng)地研究納米碳管的儲(chǔ)氫、吸波和場(chǎng)發(fā)射特性，力爭(zhēng)使碳納米管材料和器件實(shí)用化。3、能源轉(zhuǎn)換方面：由于存在介觀物質(zhì)的小尺寸效應(yīng)，當(dāng)金屬被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常低于1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這一特殊的光學(xué)性質(zhì)，可以制造高效率的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，以很高的效率轉(zhuǎn)變

6、為熱能或電能。從某種意義上說，納米技術(shù)的出現(xiàn)極有可能改變能源消費(fèi)與環(huán)境保護(hù)之間長期存在的矛盾。3 納米技術(shù)在對(duì)水、空氣的處理方面的應(yīng)用1、納米材料吸附能力的開發(fā)利用納米材料的基本構(gòu)成決定了它超強(qiáng)（10倍以上）的吸附能力。我們知道，污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、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)的水處理方法效率偏低、成本高等問題，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)用很可能解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)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)。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(jí)凈

7、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10-20倍。因此它能將污水中懸浮物完全凝聚并沉淀下來，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置，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。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(huì)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。 2、納米材料催化能力的利用研究表明，納米技術(shù)還可以制成非常好的催化劑

8、，納米材料催化劑具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)及表面特性（表面鍵態(tài)與內(nèi)部不同，表面原子配位不全等），因而，其催化活性和選擇性都大大優(yōu)于常規(guī)催化劑，甚至使原業(yè)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能完全進(jìn)行。目前的研究表明，納米催化材料對(duì)催化氧化、還原、裂解反應(yīng)都具有很高的活性和選擇性；對(duì)光解水制氫及一些有機(jī)合成反應(yīng)也具有明顯的光催化活性。納米級(jí)的TiO2由于表面具有大量的懸鍵，這些懸鍵可在能隙中形成缺陷能級(jí)，使納米TiO2表面具有很高的活性。這對(duì)納米TiO2的光學(xué)性質(zhì)有很大影響。當(dāng)波長小于387.5nm的光子照射TiO2的表面后，處于價(jià)帶的電子就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而分別在價(jià)帶和導(dǎo)帶上產(chǎn)生高活性的光生空穴（h+）和光生電子（

9、e-）。在不同條件下，h+和e-發(fā)生分離，遷移到粒子表面的不同位置，經(jīng)一系列的反應(yīng)生成含氧小分子活性物種（O:、OH:、HO2:等）。納米TiO2所具有的光催化氧化活性，在降解體和空氣中的有機(jī)污染物時(shí)表現(xiàn)出明顯效果，有機(jī)物和細(xì)菌可被其分解氧化為CO2和H2O。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，納米TiO2對(duì)于水中的鹵代脂肪烴、染料、硝基芳烴、取代苯胺、多環(huán)芳烴、雜環(huán)芳烴、烴類、酚類、表面活性劑、農(nóng)藥等都能有效的進(jìn)行光催化反應(yīng)，達(dá)到除毒、脫色、礦化，最終分解為CO2和H2O，從而消除有機(jī)物對(duì)環(huán)境的污染。東京大學(xué)工學(xué)部的騰島昭教授等證明，納米TiO2對(duì)綠膿桿菌、大腸桿金黃色葡萄球菌等有很強(qiáng)殺菌力，可用于醫(yī)院手術(shù)臺(tái)和墻壁

10、、浴缸瓷磚等地方。納米TiO2能對(duì)水中的重金屬離子通過光生電子產(chǎn)生很強(qiáng)的還原能力，廢水中Cr6+具有較強(qiáng)的致癌性，其毒性比Cr3+高出100倍，地表水中Cr6+最高允許含量為0.1mg/l。通過TiO2的光催化還原，可使85%的Cr6+被還原，這在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)處理含Cr廢水有著重要意義。目前，納米TiO2光催化劑作用正在引發(fā)一場(chǎng)所謂“光潔凈革命”。 另外，工業(yè)生產(chǎn)中使用的燃料油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，由于含硫化合物在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生SO2氣體，成為SO2污染源之一，所以石油提煉工業(yè)中有一道脫硫工藝以降低其硫含量。納米鈦酸鈷（CoTiO3）是一種非常好的石油脫硫催化劑。以55nm-70nm為

11、半徑的鈦酸鈷作為催化活體，多孔硅膠或Al2O3陶瓷作為載體制成催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的燃油中硫的含量小于0.01%，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)生產(chǎn)中使用的煤燃燒產(chǎn)生的SO2是SO2最大的污染源，如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級(jí)助燒催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生一氧化碳氧化碳?xì)怏w，提高能源利用率，而且會(huì)使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物，降低二氧化硫排放。最新研究成果表明，復(fù)合稀土化物的納米級(jí)粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能，這是其它汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可以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粉體為催化活性體的汽車尾

12、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(duì)人體和環(huán)境無害的氣體二氧化碳和氮?dú)狻?3、噪聲控制經(jīng)檢測(cè)，收音機(jī)車輛、船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)工作的噪聲可達(dá)到上百分貝，容易對(duì)人造成危害。但當(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，得以大大降低機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，又能

13、處長它的使用壽命。另外，在強(qiáng)磁性納米粒子外包裹 層長鏈的表面活性劑，使其穩(wěn)定地分散在基液中形成膠體，即得到磁流體。這種磁流體可以用于旋轉(zhuǎn)軸的密封。這種軸密封的優(yōu)點(diǎn)是完全密封、無泄漏、無磨損、不發(fā)熱、軸承壽命長、不污染環(huán)境、構(gòu)造簡(jiǎn)單等，主要用于防塵密封和真空密封等高精尖設(shè)備及航天器等。 研究者認(rèn)為，納米粒子的抗摩減摩機(jī)理主要通過以下三條途徑實(shí)現(xiàn)：1）類似“微軸承”作用，減少磨擦阻力，降低磨擦系數(shù)；2）在磨擦條件下，納米微粒在磨擦副表面形成一個(gè)光滑保護(hù)層；3）填充磨擦副表面的微坑和損傷部位，使其表面缺陷修復(fù)。也有些學(xué)者認(rèn)為，納米微粒添加劑的作用機(jī)理不同于傳統(tǒng)添加劑，與其本身所具有的納米效應(yīng)有關(guān)，在

14、磨擦過程中，因磨擦表面局部溫度高，尤其在高負(fù)荷下，納米微粒特別像n-TiO2這類微粒極有可能處于熔化、半熔化或燒結(jié)狀態(tài)，從而形成一層納米膜。納米膜不同于一般的薄膜。另外納米微粒具有極高的擴(kuò)散力和自擴(kuò)散能力（比體相材料高十幾個(gè)數(shù)量級(jí)），容易在金屬表面形成具有極佳抗摩性能的滲透層或擴(kuò)散層，表現(xiàn)出“原位磨擦化學(xué)原理”（In-situ tribo-chemical treatmentxxum）。這種機(jī)理認(rèn)為，納米添加劑，尤其在高負(fù)荷條件下它們的潤滑作用不再取決于添加劑中的元素是否對(duì)于基體是化學(xué)活性的，而很大程度上決定于它們是否與基體組分形成擴(kuò)散層或滲透層和固溶體。納米添加劑的這一性能，解決了在潤滑油添

15、加劑分子設(shè)計(jì)上長期依賴S、P、Cl等活性元素的狀況，為解決由于S、P、Cl對(duì)基體金屬造成的腐蝕、降低油品安定性和帶來的環(huán)境問題，展示了美好應(yīng)用前景。4、防止電磁輻射近年來，有關(guān)工頻電磁場(chǎng)對(duì)人體健康的影響問題已從所周知。若在強(qiáng)烈輻射區(qū)工作并需要電磁屏蔽時(shí)，可以在墻內(nèi)加入納米材料層，或者涂上納米涂料，就能大大提高遮擋電磁波輻射性能。我們知道，紫外線對(duì)人體的害處極大，但有的納米微?？梢晕兆贤饩€對(duì)人體有害的部分，從而使納米粒子在防紫外線方面也有較大的應(yīng)用前景。 5、監(jiān)測(cè)環(huán)境污染據(jù)近期的科學(xué)雜志報(bào)道，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)展碳納米管可以用于探測(cè)有毒的二氧化氮和氨氣。氮氧化物（NOx）和氨氣（NH3）可

16、導(dǎo)致酸雨和溫室效應(yīng)，因此其在大氣中的含量必須適時(shí)監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)成本高，不便移動(dòng)作業(yè)。與現(xiàn)有檢測(cè)儀器不同的是，利用納米技術(shù)研制的探測(cè)器是由兩端連接著金屬導(dǎo)線的納米碳管組成。該探測(cè)器可以在室溫下用于監(jiān)測(cè)氮氧化物（NOx）和氨氣（NH3）濃度，造價(jià)低廉，并且體積微小，只有3um長，仿佛是用微芯片進(jìn)行化學(xué)分析的“芯片實(shí)驗(yàn)室”。弗吉尼亞海洋研究所的化學(xué)家艾麗絲·安德森和美國環(huán)保局的化學(xué)工程師威廉姆·里納克認(rèn)為：該技術(shù)對(duì)二氧化氮、氨氣等進(jìn)行監(jiān)測(cè)很有價(jià)值，例如，測(cè)量燃煤煙氣中這兩種氣體的濃度可以監(jiān)測(cè)除污系統(tǒng)的有效性。 6、再談納米催化劑的綜合利用除了前文提到過的，納米材料的比表面積大

17、，表面活性中心多，為其做催化劑提供了必要條件。國際上已將納米材料作為第四代催化劑進(jìn)行了研究與開發(fā)。納米材料的催化劑在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用還有以下幾個(gè)方面。例如，納米氧化鋅可作為光催化劑，在紫外光的照射下，它能分解一些有機(jī)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)抗菌和除臭。這一性質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于纖維、化妝品、陶瓷、玻璃、建材和環(huán)境工程等工業(yè)中。又如，30nm的鎳用作環(huán)辛二烯加氫催化劑時(shí)，選擇性為210；而傳統(tǒng)的鎳催化劑其選擇性只有24。再如，用納米Fe2O3作為催化劑，可以在較低的溫度（270-300）下分解CO2，經(jīng)納米材料催化的石油中硫的含量小于0.01%。這些催化劑的使用不僅節(jié)約了能源，提高能源的綜合利用率，也另一方面減少了因?yàn)槟茉聪乃鶐淼沫h(huán)境問題，并進(jìn)一步使廢氣等有害物質(zhì)再利用成為可能。納米技術(shù)在環(huán)境與能源領(lǐng)域的潛在突破還有：用納米機(jī)器人和智能系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境和