納米技術(shù)及納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用

納米技術(shù)及納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用

科學(xué)家預(yù)測納米科學(xué)技術(shù)的時(shí)代即將到來，其應(yīng)用將比計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)成為未來信息的中心。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森說,納米科技將會帶來一次新技術(shù)革命。納米技術(shù)及納米材料誕生20年來,已取得巨大的成就并影響和滲透到各個(gè)領(lǐng)域。環(huán)境科學(xué)也不例外,納米技術(shù)及納米材料在資源持續(xù)利用、汽車尾氣的凈化、污水的處理以及噪聲的控制等方面的應(yīng)用正取得突破性的進(jìn)展。本文就納米技術(shù)及納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用進(jìn)展情況進(jìn)行了闡述。1采用納米處理方法處理污染由于傳統(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有效的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有望徹底解決這一難題。1.1其他低能耗型污水治理技術(shù)隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展,一些工廠排放的高濃度有機(jī)物廢水已成為一個(gè)突出的問題。目前國內(nèi)常用的高濃度有機(jī)廢水處理方法難以達(dá)到有效的治理,應(yīng)用納米光催化技術(shù)將能有效解決這一問題,該技術(shù)以其特有的廣泛適應(yīng)性、較強(qiáng)的降解效率,日益引起各國環(huán)境科學(xué)與材料科學(xué)工作者的關(guān)注。二氧化鈦(TiO2)具有高活性、穩(wěn)定、安全、無毒、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)前最有前途的光催化劑。與傳統(tǒng)方法相比,納米TiO2光催化降解高濃度有機(jī)廢水的處理技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢-無二次污染,除凈度高。納米材料具有巨大的表面積,可將有機(jī)物最大限度地吸附在其表面,同時(shí),該材料具有更強(qiáng)的紫外光吸收能力,因而具有更強(qiáng)的光催化降解能力。不過,由于TiO2的電子能級較高,需要高頻光才能激發(fā),在廢水處理時(shí),需要大功率的高壓汞燈,設(shè)備昂貴、耗能,對人體有害。因此,采用這種表面活性很強(qiáng)的納米TiO2作為光催化劑,可望利用更經(jīng)濟(jì)的太陽輻射源來代替紫外汞燈電源。另外,采用低能級并具有光催化特性的物質(zhì)來代替TiO2也可解決這一問題,目前已知的物質(zhì)有Cu2O和CuFeO2。用Cu2O作光催化劑,可在陽光下將水分解為H2、O2。將這一現(xiàn)象移植到污水處理中,可制成可見光催化的污水處理劑。稀土鈣鈦礦型復(fù)合氧化物ABO3作催化劑也可用于有機(jī)污染物的催化降解。天津大學(xué)王俊珍等制備的納米級SrFeO3-λ懸浮體可使不同水溶性染料的溶液催化降解脫色。我國有機(jī)磷農(nóng)藥污染問題是目前急需解決的難題,利用納米TiO2進(jìn)行催化降解也可以使這一環(huán)保難題得到根本解決。浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位利用TiO2的光催化活性降解久效磷農(nóng)藥廢水并取得良好的效果。另外,利用該技術(shù)處理毛紡染料廢水、有機(jī)溴殺蟲劑等,具有省資、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。目前,我國已成功地將納米技術(shù)用于城市污水和工業(yè)廢水的處理,如湖南研制成功的“Z氏法”污水處理技術(shù),其核心技術(shù)是通過將先進(jìn)的納米材料對常用的污水處理凈水劑、絮凝劑和殺菌消毒劑加以物化改性,從而形成多元復(fù)合新型高效水處理劑。配合設(shè)計(jì)新穎且簡便實(shí)用的成套污水處理凈化劑和沉降器等設(shè)備,它可廣泛應(yīng)用于城市污水處理和各類工業(yè)廢水治理領(lǐng)域。納米超高效水處理劑具有傳統(tǒng)水處理劑無法比擬的污水凈化效果,同時(shí)藥劑費(fèi)用低、應(yīng)用范圍廣、使用方便。該工藝徹底擺脫了生物氧化控制,排水十分穩(wěn)定。同時(shí),通過一系列的特定化學(xué)過程去除或穩(wěn)定污泥中的有害物質(zhì),并在此基礎(chǔ)上向污泥中補(bǔ)充氮、磷、鉀來平衡肥分,利用生態(tài)肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)污泥的無害化和資源化。我國污水治理工藝誕生至今,經(jīng)歷了物理法、生物氧化法,如今已進(jìn)入了物理化學(xué)法時(shí)代。因此,污水處理由排放型和處理型治理工藝向資源型治理工藝轉(zhuǎn)變,是廢水處理的必然趨勢。我國的污水治理工藝,長期以來停留在生物氧化法階段,巨大的投資和高昂的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用,給企業(yè)發(fā)展帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。采用納米技術(shù)處理污水,從新型材料的應(yīng)用、專用設(shè)備的設(shè)計(jì)、治理工藝的創(chuàng)新到污泥的綜合利用,都給污水治理技術(shù)帶來了深刻的變革,將為我國開創(chuàng)出一個(gè)高效、低耗、低投入的污水治理局面。我國是一個(gè)水資源受嚴(yán)重污染的國家,傳統(tǒng)的城市給水處理技術(shù)已遠(yuǎn)不能滿足處理微污染水體的要求。據(jù)報(bào)道,一種新型的納米復(fù)合材料凈水劑,其吸附能力與絮凝能力是普通凈水劑AlCl3的12~20倍,能將污水中的懸浮物完全吸附并沉淀下來,然后再通過納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置去除鐵銹、泥沙及異味的污染物,最后經(jīng)過帶有納米孔徑的膜和陶瓷的小球組成的處理裝置,將水中的細(xì)菌、病毒100%除去,可得到高質(zhì)量的純凈水。由天津大學(xué)北洋科技公司獨(dú)家開發(fā)的我國第一條桶裝納濾生產(chǎn)線在天津建成并投入生產(chǎn)。該項(xiàng)目所采用的制備工藝首次將絮凝過濾技術(shù)應(yīng)用于納濾的預(yù)處理中并建立微絮凝過濾—吸附—紫外線消毒等的組合處理工藝,達(dá)國際領(lǐng)先水平。1.2利用光催化作用無機(jī)污染廢水的處理是指將水中含有對人體有害的無機(jī)陰離子、重金屬及貴金屬等去除。汞是水中的主要重金屬污染物,對人體腦神經(jīng)系統(tǒng)危害極大,鉻污染能引起局部肉瘤,使肺癌發(fā)病率升高,鉛污染也有可能導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)癌變。利用光催化技術(shù)可以將這些有害的無機(jī)污染物除去。許多有毒無機(jī)陰離子的去除可以用光催化氧化成無害無毒的化合物。例如,把亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽,亞硫酸鹽和硫代硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫酸鹽,把氰化物轉(zhuǎn)化為異氰化物或氮?dú)饣蛳跛猁}。廢水中的金屬離子亦可通過光催化作用去除。如以TiO2為催化劑,在可見光照射110min,可將微量的Hg(Ⅱ)幾乎完全還原,污水中的Cr6+同樣可以利用光催化劑在光催化作用下使Cr6+轉(zhuǎn)化成Cr3+,然后直接加堿生成Cr(OH)3沉淀,同傳統(tǒng)的加酸方法使Cr6+轉(zhuǎn)化成Cr3+相比,減少了酸性物質(zhì)對容器的腐蝕等中間過程,降低了Cr6+的處理成本。污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì),新的納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來,變廢為寶。Serpone等報(bào)道了用納米TiO2光催化法從Au(CN)-4中還原Au,同時(shí)氧化為CO2和NH3的過程,并指出該法用于電鍍工業(yè)廢水的處理,不僅能還原鍍液中的貴金屬,還能消除鍍液中氰化物對環(huán)境的污染。納米技術(shù)在水污染物的去除方面的應(yīng)用似乎是最有希望的潛在領(lǐng)域,因?yàn)樵S多有毒水污染物,無論是有機(jī)的還是無機(jī)的,通過納米粒子的光催化作用完全礦物化或氧化成無害的最終化合物。2納米技術(shù)以及納米大氣污染處理的應(yīng)用空氣中超標(biāo)的SO2、CO和NOx等都是影響人類健康的有害氣體,納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用將為解決這些氣體的污染問題提供了全新的途徑。2.1使用空氣處理2.1.1納米技術(shù)為添加劑工業(yè)生產(chǎn)中使用的燃料油及作為汽車燃料的汽油、柴油等,在燃燒時(shí)會產(chǎn)生SO2氣體,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。如納米鈦酸鈷(CoTiO3)及鈦酸鋅(ZnTiO3)粉體就是一種非常好的石油脫硫催化劑。煤燃燒也會產(chǎn)生SO2氣體,如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級助燃催化劑,不僅可以使煤充分燃燒,提高能源利用率;而且會使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物,不產(chǎn)生二氧化硫氣體,從而杜絕有害氣體的產(chǎn)生。目前,國內(nèi)燃油添加劑市場呈現(xiàn)出國外品牌與國內(nèi)品牌、化學(xué)添加與物理添加等多方爭鋒的格局,而納米技術(shù)為添加劑市場開辟了新的市場機(jī)遇。北京大學(xué)博雅公司利用納米技術(shù)研制開發(fā)出NANO牌納米燃油添加劑,以納米級的微爆使燃油二次霧化,與空氣混合均勻、充分,使燃燒進(jìn)行更徹底,可廣泛用于工業(yè)和商業(yè)用汽油、柴油和重油等,可以全面解決辛烷值強(qiáng)化劑、清凈劑和節(jié)油添加劑所單獨(dú)解決的問題,還可以整體改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,是一種全新概念的具有綜合性能的第四代環(huán)保型燃油添加劑。2.1.2納米稀土鈦礦材料汽車尾氣排放直接污染人們的生活空間及呼吸層,對人體身體健康影響極大。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目的。如用ZnO、SnO、WO3等納米材料制成的氣敏傳感器,可用于對氧化氮(NOx)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)氫氣(H2)等的監(jiān)測。納米稀土鈦礦型復(fù)合氧化物ABOS對汽車尾氣所排放的NO、CO和HC具有良好的催化轉(zhuǎn)化作用,把它作為活性組分負(fù)載于蜂窩狀堇清石載體上,制成的汽車尾氣催化劑三元催化效果好、價(jià)格便宜,可以替代昂貴的重金屬催化劑。復(fù)合稀土化物的納米粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能,它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳和氮氧化物(NOx)的污染問題。而更新一代的納米催化劑,將在汽車發(fā)動(dòng)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。另外,研究發(fā)現(xiàn),利用TiO2光催化劑所產(chǎn)生的活性氧,配合雨水作用可使空氣中的NOx與SO2形成HNO3和H2SO4而將NOx和SO2除去。實(shí)驗(yàn)表明,在透水性多孔混凝土砌塊表面7~8mm深度內(nèi),摻入50%以下TiO2微粉而制成的光催化混凝土,對濃度為1×10-5g/m3的NOx具有很好的去除能力,去除率達(dá)80%。在隧道內(nèi)的照明燈燈罩玻璃上涂以光催化TiO2,可有效地去除汽車廢氣中的NOx、油及積炭,凈化被污染的隧道空氣。2.1.3納米tio光催化劑調(diào)查表明,新裝修房間的空氣中有機(jī)物濃度高于室外,甚至高于工業(yè)區(qū)。研究表明,光催化劑可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,其中納米TiO2的降解效果最好。納米TiO2經(jīng)光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧化能與細(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TiO2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。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間安放納米TiO2光催化劑可具有殺菌、除臭作用。近年來不斷研究開發(fā)出含有超細(xì)等微粉的抗菌除臭纖維,不僅用于醫(yī)療,而且還可制成抑菌防臭的高級紡織品、衣服、圍裙及鞋襪等。2.2納米涂料的使用經(jīng)檢測,飛機(jī)、車輛、船舶等主機(jī)工作時(shí)的噪聲容易對人體造成干擾和危害。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、摩擦產(chǎn)生的交變機(jī)械作用力大為減少,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,又能延長它的使用壽命。近年來,有關(guān)頻電磁場對人體健康的影響問題已眾所周知,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)加入納米材料層或涂上納米涂料,能大大提高遮擋電磁波輻射性能。將TiO2或表面包裹SnO2或SnO(含PbO)的TiO2加入導(dǎo)電粉末,不僅使導(dǎo)電粉末顏色變淺,而且還可以降低成本。將納米TiO2粉體加入樹脂中,可用于電器的靜電屏蔽,防止電器信號受外部干擾。我們知道,紫外線對人體的害處極大,但有的納米微?？梢晕兆贤饩€對人體有害的部分,從而使納米材料在防紫外線方面也有較大的應(yīng)用前景。納米TiO2具有很強(qiáng)的散射和吸收紫外線的能力,尤其是對人體有害的中長波紫外線的吸收能力很強(qiáng),效果比有機(jī)紫外吸收劑強(qiáng)得多,并且可透過可見光,因其無毒無味、無刺激性而廣泛用于化妝品。將納米TiO2應(yīng)用于涂料中可制成特殊的防紫外線產(chǎn)品,如汽車、輪船面漆的防老劑,防紫外線傘等。蒙脫土納米纖維具有良好的力學(xué)性能、抗輻射性能、防霉性能、抗老化性能和突出的紅外反射效果;納米ZnO整理劑具有抗紫外、耐水洗和柔軟的功能。3超微粉的制備納米技術(shù)及納米材料應(yīng)用于城市固體垃圾處理,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面是可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末,除去其中的異物,成為再生原料回收;另一方面,利用納米TiO2催化技術(shù)可以使城市垃圾快速降解,其速度是大顆粒TiO2的10倍以上,從而可以緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。4納米技術(shù)及納米材料的環(huán)保應(yīng)用展望納米材料及納米技術(shù)是當(dāng)前材料科學(xué)的前沿學(xué)科,隨著基礎(chǔ)研究的