纳米材料在环境保护中的应用现状及展望X.doc

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1、纳米材料在环境保护中的应用现状及展望X杨晓芬(内蒙古科技大学包头师范学院化学学院,内蒙古包头)摘要:纳米材料在环境保护领域起着重要作用,并具有广阔的应用前景。本文介绍了纳米材料在废水处理、废气处理、固体垃圾处理、环境监测等方面的应用现状,并对纳米材料在环境保护方面的应用前景进行了展望。关键词:纳米材料;环境保护;现状;展望中图分类号:X13文献标识码:A文章编号:10067981(2011)050025021废水中有机污染物的处理目前国内常用的有机物废水处理技术难以达到有效治理的目的。物理吸附法、混凝法等非破坏性的处理技术,只是将有机物从液相转移到固相,如何解决二次污染问题,使吸附剂、混凝剂再

2、生是一难题。生化处理法虽能很好地除去污水中的有机物和营养物质,但如果污水中含大量重金属,则重金属可使生化系统中毒,生化法就不再适用。使用带纳米孔径的处理膜和纳米孔径的筛子,则可将水中的微生物(包括细菌、病毒、浮游生物)、水中胶体完全滤除,仅保留水分子和小于水分子直径的矿物质。纳米TiO2具有很强的紫外光吸收能力和光催化降解能力,可快速将吸附在其表面的有机物分解。用纳米TiO2光催化处理含有机污染物的废水被认为是最有前途、最有效的处理手段之一。目前利用光催化作用的主要是TiO2。纳米TiO2晶体具有很强的光催化能力,这与颗粒的粒径有直接的关系。TiO2颗粒粒径从30nm减小到10nm时,其光催化

3、降解苯酚的活性上升45%。TiO2作为光催化剂用于环境治理,比传统的生物法处理工艺优越,主要表现在:反应条件温和,能耗低,在阳光下或在紫外线辐射下即可发挥作用;反应速度快,在几分钟到数小时就可使有机物降解;降解没有选择性,能降解任何有机物,特别是多环芳烃和多氯联苯类化合物也能被正常降解;消除二次污染,把有机物彻底降解成CO2和H2O。所以,TiO2等半导体纳米微粒的光催化反应在废水处理和环境保护方面有广阔的应用前景。生产和应用燃料的过程中会排放大量含芳烃、氨基、偶氮基团的致癌物废水,常用的生物法降解效果不理想。以纳米TiO2对甲基橙光催化降解脱色,结果反应仅10min,脱色率就达到97.4%。

4、活性绿染料废水的处理、酸性蓝染料的光催化降解和活性艳红X-3B的氧化脱色等都取得了良好的效果。用浸涂法制备的纳米TiO2或者用空心玻璃球负载TiO2可以漂浮于水面,对水面上的油层、辛烷等具有良好的光催化降解作用,这无疑给清除海洋石油污染提供了一种可以实施的有效方法。至今已知,该方法能处理80余种有毒化合物,可以将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药、木材防腐剂和燃料油等,有效的进行光催化反应除毒、脱色、矿化、分解为CO2和H2O,最终消除对环境的污染。2废水中无机污染物的处理近年来,国内外有很多学者发现碳纳米管可用来

5、吸附去除水体中重金属,他们不仅发现碳纳米管对重金属有非常优良的吸附能力,而且还详细分析了重金属在碳纳米管上吸附的影响因素。研究表明,处理碳纳米管的试剂、溶液的酸度及温度都会影响碳纳米管对重金属离子的吸附量。碳纳米管表面稀有金属氧化物对重金属吸附也有影响,国内学者通过在定向碳纳米管表面负载金属氧化物CeO2来吸附水体中铬的试验得到证实。研究表明,纳米TiO2对Cr6+有强烈的吸附作用,如果把纳米微粒做成净水剂,那么这种净水剂的吸附能力是普通净水剂Al-Cl3的1020倍,如此强的吸附力足以把污水中的悬浮物完全吸附和沉淀下来。若再以纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置相配套,就可有效地除去水中的铁锈

6、、泥沙和异味。经过前两道净化工序后水体清澈、无异味,并且口感较好。这样的水流过具有纳米孔径的特殊水处理膜和具有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后,水中的细菌、病毒得以百分之百去除,达到饮用水的标准。管表面的缺陷和无定形碳给氟离子的吸附提供了活性位置,而且碳纳米管管间和管内的很多微孔结构也可以有效的吸附半径较小的氟离子,所以碳纳米管对氟离子吸附不仅有效,而且能够适应的pH值范围也很广。定向碳纳米管吸附氟离子试验表明:定向碳纳米管在液相溶液pH在39这样一个较宽的范围内对氟离子都能很好的吸附,吸附能力比活性炭、氧化铝都高。更有研究者把氧化铝负载在碳纳米管上制备Al2O3/CNT吸附剂,其吸附能

7、力更强。3废气处理大气污染是全人类面临的重大课题,纳米技术和纳米材料的应用将是解决这个问题的新途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等在燃烧时会放出大量的SO2气体,造成对环境的污染。纳米CoTiO3是一种很好的石油脱硫催化剂,以5570nm Co-TiO3负载于多孔硅胶或Al2O3上,所得的负载型Co-TiO3催化剂的催化活性极高,用它对石油脱硫处理,所得的石油中硫的含量小于0.01%,达到国家标准。煤的燃烧也会产生SO2气体,在燃煤中添加纳米级助燃剂,帮助煤充分燃烧,即可提高能源的利用率,又可把硫转化为固体硫化物,防止了有毒气体的产生。复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能,是其他任

8、何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的,它的应用将彻底解决汽车尾气中CO和NOx的污染问题。以活性炭作为载体,纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性组分的汽车尾气催化剂,具有极强氧化还原性。又由于纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强,所以它在氧化CO的同时也还原了NOx,使之转化为无毒无害的CO2和N2。而更新一代的纳米催化剂将在汽车发动机气缸里发挥作用,使汽油在燃烧时不产生CO和NOx,把污染消灭在源头,这样就不需要再做尾气的净化处理。近年来随着室内装潢涂料油漆用量的增加,室内空气污染越来越受到人们的重视。调查表明,新装修的房间内有机物浓度高于室外,甚至高于工业区。目前已经从中检测出甲醛、

9、甲苯等数百种有机物,其中不乏致癌、致畸物,这些有毒气体成为人类新的杀手。研究表明,光催化剂能够很好地降解这些有毒物质,其中TiO2的降解效率最好,将近达到100%。纳米TiO2光催化剂也可用于石油、化工等工业废气的处理中,改善厂区周围空气质量。另外利用纳米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光催化剂还具有除毒作用。4固体垃圾处理将纳米技术和纳米材料应用于城市固体垃圾处理主要表现在以下两个方面:将橡胶制品、塑料制品、废旧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。例如把废橡胶轮胎制成粉末

10、用于铺设田径运动场、道路和新干线的路基等。应用TiO2加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的巨大压力。另外,在环境监测领域急需快速便携的自动探测器。用单壁碳纳米管制得最小的分子级气敏元件,其响应时间比目前可用的同类金属氧化或者聚合物传感器至少要快一个数量级,同时此气敏元件还具有尺寸小、表面积大、能在室温下或更高温度下操作等优点。探测结束后,将此传感器放置于周围环境中或者加热之后,它又可以恢复而被重复使用。在噪声污染控制方面,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小,噪声污染可得到有效控制。运用

11、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,得以大大降低机器设备运转时的噪声,又能延长它的使用寿命。5结论纳米材料在环境保护中的应用越来越受到了人们的重视。虽然此项技术还处于由实验室向工业化发展的阶段,反应机理和理论方面的研究有待进一步深入,但可以预见,通过深入研究纳米材料的性质,人们将制备出高吸附选择性的纳米材料,找出大规模、低成本、无污染的纳米材料可控生产工艺,以实现纳米技术使用规模化,降低其产品进人环境保护市场的门槛。纳米吸附技术作为一门全新学科,在环境保护中具有很广阔的应用前景。参考文献1喻德忠,蔡汝秀,潘祖亭.纳米技术在处理环境中无机污染物的研究现状J

12、.分析科学学报,2003,19(4).2王怡中.符雁.汤鸿霄.平板构型体太阳光催化反应系统中甲基橙降解脱色研究.环境科学学报,1999,(2).3孙奉玉.吴鸣.李文钊.二氧化钛的尺寸与光催化活性的关系,1998,(2).4黄汉生.日本二氧化钛光催化剂环境净化技术开发动向,1998.5沈伟韧.TiO2光催化反应器及其在废水处理中的应用J.化学进展,1998,(4).26内蒙古石油化工2011年第5期CO2和H2O等无害物质,而且#OH自由基对反应物几乎无选择性,因而在光催化氧化中起着决定性的作用。此外,许多有机物的氧化电位较TiO2的价带电位更负一些,这样的有机物也能直接为空穴所氧化。而Ti离子

13、表面高活性的e-则具有很强的还原能力,可以去除水体中的金属离子。与常态TiO2相比,纳米TiO2光催化活性显著提高,效果更好,作为高效催化剂更合适,应用前景更为广阔,这是因为: (a)晶粒尺寸减小到纳米尺度可使禁带能宽(Eg)增大,从而使光生空穴和电子具有很强的氧化性和还原性; (b)晶粒尺寸小,反应活性中心多,表面积大,吸附的反应物多,促进光催进反应进行; (c)纳米颗粒尺度小于载流子的平均自由程,从而降低了迁移过程中电子和空穴的复合。电子、空穴到达表面的数量多,则光催化效率高,反应活性高,反应速度快。随着纳米技术的发展,光催化领域纳米TiO2被广泛采用。由于纳米材料的特性(表面效应、体积效

14、应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应),使纳米TiO2具有与块状固体不同的物理化学性质,它具有高比表面积、高密度表面晶体缺陷以及高表面能。量子尺寸效应使其能隙增宽,氧化还原势增大,光催化反应驱动力增大,导致其光催化活性提高。近年来,纳米TiO2的光催化性已广泛用于废水处理、有害气体净化、杀菌材料、食品包装、日用品、纺织品、建材、涂料等方面,有望成为新一代的/绿色0环保技术。212 超亲水性和超亲油性1纳米TiO2具有超亲水性,在紫外线照射下, TiO2表面生成电子与空穴对,分别与Ti4+和表面氧离子反应生成Ti4+和氧空位。空气中的水解离子吸附在氧空位中成为化学吸附水,由于范德华力和氢键作用再吸

15、咐一层物理吸附水,最终在缺陷周围形成离度亲水微区,而剩余区域仍保持疏水性,这样构成了均匀分布的、分离的且尺寸远远小于水的纳米尺寸亲水微区,宏观上表面为超亲水性。而且水与纳米TiO2半导体光催化剂薄膜表面接触,开始时接触角在数十度以上,表面为疏水性;当经紫外线照射后,接触角会迅速变小,最后达到零度,又表现出超亲水性;停止照射,接触角能保持数十小时不变,随后逐步升高。薄膜表面含有的化学吸咐水,可使其土附着的微量有机物经日光照射后可分解成CO2、H2O和无机物。因此纳米TiO2表面具有超亲水性和超亲油性,其表面具有自清洁效应,即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。如将TiO2玻璃镀膜置于水蒸气中

16、,玻璃表面会附着水雾,紫外线光照射后,表面水雾消失,玻璃重大又变得透明。在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上TiO2薄膜,可防止镜面结雾。镀有纳米TiO2薄膜的表面与TiO2薄膜的表面相比,前者显示出高度的自清洁效应。一旦这些表面被油污等污染,因其表面具有超亲水性,污染不易在表面附着,附着的少量污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下,也会自动从TiO2表面剥离下来,阳光中的紫外线足以维持TiO2的薄膜表面的亲水特性,从而使表面具有长期的自洁去污效应。3 纳米材料及纳米技术在环保的应用311 废水处理用纳米TiO2光催化处理含有机污染物的废水被认为是最有前途、最有效的处理手段之一,其方法简单,在常温常

17、压下,即可分解水中的有机污染物,而且没有二次污染,费用不太高。至今已知,该方法能处理80余种有毒化合物,可以将水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、表面活性剂、农药、木材防腐剂和燃料油等,有效的进行光催化反应除毒、脱色、矿化、分解为CO2和H2O,最终消除对环境的污染。水中其他有机污染物如卤代脂肪烃、卤代芳香烃、卤代脂肪酸、多环芳烃及杂环化合物、含氮化合物化等是各国优先控制的有害物质,这类物质在纳米TiO2光催化分解的过程中一般都先羟基化、再脱卤、逐步降解,直至成为含H和O等的简单无机物。另外治理水体中石油污染已成为世界各国共同关心的

18、问题。由于石油类有机污染物不溶于水而漂浮在水面,纳米TiO2的密度(锐钛矿型为3184g/cm3)远大于水,会沉于水底。为了使TiO2能漂浮在水面上与石油类污染物充分接触进行光催化反应,需要将它制备成能漂浮于水面的负载型TiO2光催化剂。美国、日本对海上石油泄漏造成的污染进行处理时,将锐钛矿型TiO2做成空心小球,浮在含有有机物的废水表面上,利用太阳光可进行有机物的降解。用环氧树脂将TiO2粉末粘附在木屑上,用偶联剂将TiO2粉末偶联在空心玻璃球上,和用浸涂法将TiO2浸涂在空心玻璃微珠上制成薄膜光催化剂对水面油污进行光催化降解,都取得了良好的效果13。312 净化空气环境有害气体包括室内有害

19、气体和大气污染气体。室内有害气体主要有:装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨、甲醛等。TiO2通过光催化作用可将吸咐其表面的这些物质氧化分解,从而使空气中这些物质的浓度降低。大气污染气体主要指由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化物。利用纳米TiO2的光催化作用可将这些气体氧化成硝酸和硫酸,在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的目的。)2)四川环境2004年第23卷第2期对低浓度的NOx具有很好的去除能力,去除率达80%。若将此砌块用于公路铺设,则可以效地去除汽车尾气中的NOx,明显地改善空气质量。将纳米TiO2涂覆或掺入混凝土、砖及钢板等材料的表面还可以用作道路建

20、设,在隧道内的照明灯灯罩玻璃上涂以光催化TiO2,也可有效去除汽车废气中的NOx、油及积炭,净化被污染的隧道空气,这种灯罩能保洁如新,连续使用可达4个月之久。还可利用TiO2制成能对低浓度NOx进行分解的空气净化器,并制成除臭冷藏车等。TiO2还能将室内新建材,粘接剂等产生的甲醛、吸烟所生成的乙醛以及家庭灰尘产生的甲硫醇等有机异臭在紫外光照射下分解去除。在500e经7h煅烧后15,纳米TiO2从废气中除去的总硫量比所有其它几种常规形态的TiO2除去率大5倍,更重要的是,在暴露7h后,纳米TiO2除硫的速度仍然相当高,而其它形态的TiO2已失效。还可利用纳米TiO2光催化除去空气中微量的丙酮和乙

21、醛,当浓度为390mg/m3的丙酮和413mg/m3的乙醛在TiO2上光照60min,其光催化降解率分别在6313%和8519%,只要光照时间足够长,丙酮和乙醛可以完全降解为CO2和H2O。负载型16纳米TiO2光催化剂的光催化降解效果明显优于单一的纳米催化乙醛,其效果比单一纳米TiO2高,可有效降解三氯乙烯等含卤空气。采用共沉淀掺杂法制备出钒掺杂的纳米TiO2光催化剂,在可见光照射下,对低浓度的硫化氢进行光催化转化,可使硫化氢被转化为H2和S,每小时转化率高达9619%。313 抗菌抗菌17是指TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀死作用。TiO2具有分解病源菌、毒毒的作用,在玻璃上涂一薄

22、层TiO2,光照可达到杀灭大肠杆菌的效果,光照4h毒素的含量可控制在5%以下。在人们的居住环境中存在各种有害微生物,对人类生活产生不良影响。家居环境中的一些潮湿的场合如厨房、卫生间等,微生物容易繁殖,导致空气菌浓度和物体表面菌浓度增大,对人的健康产生威胁。利用纳米TiO2的光催化性可充分抑制或杀灭环境中有害微生物,使环境微生物对人体的危害降低。对于室内空间存在的大量细菌,由于它们主要是由有机物组成的,纳米二氧化钛在光的作用下可直接破坏细胞壁、细胞膜或细胞内的组成成分,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌等又有很强的杀灭能力。一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性,但细菌被杀死后,可释放出

23、致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质,可引起伤寒、霍乱等疾病。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、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。把纳米TiO2的涂层涂在建筑物的层顶,制成墙砖放在建筑物的外墙、医院手术室的手术台和墙壁上,即可有效、快速地杀死细菌。已经制备出保洁瓷砖,比单纯用紫外光的杀菌效果强4倍。日本三菱制纸(株)用二氧化钛和无机吸咐剂的复合材料研制成净化除臭机,并已开始上市。纳米二氧化钛克服了大多数有机抗菌剂耐热性差、易挥发、易分解产生有害物、安全性较差等缺点,具有无毒、无味、无

24、刺激性、效性好、维持抗菌效果时间长等特点,在室内抗菌除臭除异昧等方面将日益受到人们的重视。314 静电屏蔽目前使用的金属系、碳系导电粉末成本高,颜色深,对无线电波有屏蔽干扰作用,在某些领域不能选用。将TiO2或表面包覆SnO2或SnO (含PbO)的TiO2加入导电粉末,不仅使导电粉末颜色变浅,而且还可以降低成本。这种导电粉末具有装饰作用和高反射作用,在电子工业、航空航天工业中被广泛用于电子元件、电器表面、飞机导弹、卫星的非金属表面以及静电复印、导电纸、地毯等。如果纳米TiO2粉体加入树脂中,可用于家电和其它电器的静电屏蔽,防止电器信号受外部干扰。315 紫外线屏蔽纳米TiO2具有很强的散射和

25、吸收紫外线的能力,尤其是对人体有害的中长波紫外线UVA、UVB (320400nm, 290320nm)的吸收能力很强,效果比有机紫外吸收剂强很多,并且可透过可见光。将纳米TiO2应用于涂料中可制成特殊的防紫外线产品,如汽车、轮船轮胎的防老化剂,防紫外线伞等。316 监测环境污染如有毒的NOx可导致酸雨和温室效应,因此其在大气中的含量必须被适时监测。目前监测技术成本高,不便移动作业,所需温度高。与现有监测仪器不同的是,利用纳米技术研制的碳纳米管可以用于监测NOx,可在室温下工作,造价低廉,而且体积小。4 纳米环保产品411 功能涂料18含纳米二氧化钛的环保涂料能利用太阳光和灯光净化环境,降解有

26、害气体,使被污染的大气环境得到净化。如果整个城市的建筑物都使用纳米材料粉刷,那么房屋、桥梁、道路、广场就会成为一个个高效的/大气净化器0,对于治理城市大气污染将起到巨大的作用。它具有如下优异特点:其高活性、兴催化特性使得涂料具有吸收、分解有毒有害气体和防腐、杀菌的功能,是安全无污染的环保型涂料,中国科学院成)4)四川环境2004年第23卷第2期表1 纳米TiO2净化处理废水一览表废 水主要污染物催 化 剂试验主要条件降 解 效 果工业废液和污染的地下水多氯联苯类纳米TiO2日光照射12h后有效生成CO2、H2O十二烷基苯磺酸钠废水十二烷基苯磺酸钠纳米TiO2在多云条件下,日光照射12h后溶液为

27、1mol的十二烷基苯磺酸钠水溶液基本完成降解,净度高且无二次污染水面石油污染物 (1)重芳烃等以煤灰中漂球为载体,钛酸丁酯为原料,制成载有TiO2粉体的漂浮型光催化剂以高压汞水照射8h水面油污降解75%,而且能抑制原油在自然氧化过程中形成的有害共聚物石油污染物(2)辛烷,正十二烷用飘浮负载型纳米TiO2光催化剂在375w汞灯照射1h后能降解辛烷90%以上, 20min后正十二烷的光催化去除率达9315%Cr6+具有较强的致病作用Cr6+纳米TiO2在PH值为215的体系中,光照1h后Cr6+被还原为Cr3+,还原效率为85%含氰废水CN-纳米TiO2光照CN-首先被光催化氧化为OCN-,再进一

28、步反应生成CO2、N2和NO2等。甲基橙废水甲基橙有机染料纳米TiO2或用浸渍法将TiO2负载于颗料的活性炭表面制成的TiO2负载膜用紫外灯(300w)作光源,光照10h反应10h,脱色率达9714%有机染料废水活性黄、活性红、活性蓝、碱性绿、碱性紫、碱性品红等染料溶液纳米TiO2在pH=2的酸性溶液中,光照10h对浓度为60%的6种染料溶液的脱色率均超过9313%偶氮染料低浓度卤代烃废水一品红、铬蓝、铬黑卤代烃纳米TiO2在臭氧氧化条件下采用纳米TiO2膜光催化在pH=2的酸性溶液中,光照10h对溶液的降解有显著效果,降解率可以达到9919%含阿特拉律除草剂的废水阿特拉律除草剂纳米TiO2膜

29、光催化250W高压汞灯(2只)照射含阿特拉津30mg/L水溶液10h在有溶解氧的条件下,其降解率高达98%有机磷农药水溶液有机磷TiO2薄膜或用浸渍提拉法把TiO2负载在洁净的玻璃载片上在TiO2薄膜中引入气孔增强了光催化活性当孔径大小为100200nm,镀膜次数为1015次时, TiO2薄膜显示光催化效率高次甲基蓝染料废水次甲基蓝染料纳米TiO2膜光催化高压汞灯做光源,在pH值为313左右,在光照30min, TiO2用量514mg/mL,次甲基蓝初始浓度为16mg降解率达9417%罗丹明B染料废水罗丹明B将3040nm的锐铁矿型TiO2浸涂在玻璃表面制成纳米TiO2薄膜在光照3h能降解大部

30、分染料有机染料活性艳红废水活性艳红将TiO2固定在不锈钢质反应器内壁以高压汞灯为光源,经30min光照浓度为50mg的染料溶,其降解度达95183%含敌杀死杀虫剂废水溴氰菊配铁矿壁纳米TiO2TiO2用量为30mg,室温条件下,光照3h敌杀死降解了7315%甲苯废液甲苯以空心玻璃球为载体,用浸涂法制备出纳米TiO2光催化剂光照80min甲苯被完全光催化去除苯酚水溶液苯酚TiO2(2040nm)为催化剂125w高压汞灯为光源苯酚能被完全光催化去除敌敌畏(DDCP)水溶液敌敌畏负载型TiO2光催化剂以200w高压汞灯为光源光照1h可使DDCP100%降解 研究发现14,利用TiO2光催化剂所产生的

31、活性氧,配合雨水作用可使空气中的NOx与SO2形成硝酸和硫酸而将NOx和SO2除去。在透水性多孔混凝土砌表面78mm深度内,掺入50%以下TiO2微粉而制)3)四川环境2004年第23卷第2期研究专项经费资助(项目编号:2001CB)。作者简介:张泽江(1972-),男,重庆江津人,现在中国科学院成都有机化学研究所攻读博士,主要从事纳米功能材料方面的研究。纳米材料在环境保护中的应用与发展张泽江1,张硕生2,冯良荣1,邱发礼1(11中国科学院成都有机化学研究所,四川 成都 ; 21公安部四川消防研究所,四川 成都 ) 摘要:综述了纳米材料的环保功能以及其在环境保护中的应用,并列举了近年出现的纳米

32、环保产品,提出了纳米材料在环保应用中存在的问题。关 键 词:纳米技术;纳米材料;环境保护;光催化中图分类号:X51 文献标识码:A 文章编号:1001-3644(2004)02-0001-05Prospect and Application of Nano-technology and Nanomaterials in Environmental ProtectionZHANG Ze-jiang1, ZHANG Shuo-sheng2, FENG Liang-rong1, QIU Fa-li1(11Chengdu Institute of Organic Chemistry, Chinese

33、Academy of Sciences, Chengdu, China;21Sichuan Fire Research Institute, Chengdu, China)Abstract:This paper reviews the protective function based on special properties of nanomaterials and describes the progress and appl-ication of nanomaterials in environmental protection. And the problems in the app

34、lication of nanomaterials in environmental protectionare put forward.Key words:Nano-technology; nanomaterials; environmental protection; photocatalysis1 纳米材料和纳米技术纳米材料即在纳米量级(1100nm)范围内调控物质结构研制而成的新材料,组成材料的颗料细到只有几纳米。纳米技术就是在该尺度范围内,研究电子、原子和分子内在规律和特征,并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。纳米量级的材料因其特殊的结构,使其产生出小尺寸效应、量子效应和表

35、面效应,从而在机械性能、磁、光、电、热等方面与传统材料有很大不同,具有辐射、吸收、催化、吸附等特性。决定了其在化工、医药、冶金、电子、航空、核能等领域存在着巨大的潜在应用价值1。因此,在21世纪纳米技术将对信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的发展产生深远的影响。几乎改变每一件人造物体的特性,材料性能的重大改善和制造模式的改变将引发一场新的工业革命。它诞生十多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直非常引人注目,特别是在环境保护和环境治理方面的应用,已经呈现出欣欣向荣的前景2。随着纳米材料和纳米技术在环保方面的应用更深入的研究,将会给我国乃至全世界在治理环境污染方面带来新的机会3

36、。2 纳米材料的环保性能211 光催化性能近十多年来,随着环境污染日益严重,利用半导体粉末作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点,光催化降解是一门新型的并在迅速发展的科学技术。目前,在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料4,如TiO2, ZnO, Fe2O3, SnO2,CdS, WO3等,其中TiO2以其活性高、热稳定性好、持续性长、价格便宜、对人体无害等特征倍受人们青睐,它是一种半导体材料,除了具有纳米材料共同的特点外,还具有光催化性能,它的活性高、化学稳定性好、对人体无害,是理想的环保型光催化剂。它的光催化机理5是: TiO2的禁带宽度为312ev,当它吸收了波长小于或等

37、于nm的光子后,价带中的电子就会被激发到导带,形成带负电的高活性电子e-,同时在价带上产生带正电的空穴h+,在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表面不同的位置。并且分布在表面的空穴可以将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成#OH自由基,顺磁共振研究也证明在水体中, TiO2表面确实存在大量的#OH自由基。#OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大多数的有机物及部分无机污染物,制得的含TiO2的涂料在4913m3的密闭房间内,用40w日光灯照射20h,其室内甲醛降解率可达8111%;特殊的双疏结构(疏水、疏油)使得涂层的耐污性非常突出;独特的表面效应,使得涂层的耐

38、擦洗性能大大提高;附着力极强;对紫外线极强的屏蔽作用减缓了太阳对涂层的破坏作用,使涂层具有更强而气候、保色、保光、抗老化性能,大大延长了涂层的使用寿命;纳米弹张功能。412 纳米自洁陶瓷最近已开发出了用TiO2被覆的抗菌陶瓷用品,先将TiO2加水制成浆涂在陶瓷表面上,高温燃烧即可到1mm厚的光催化TiO2薄膜产品。在光照射下,就能完全杀死其表面的细菌,这种陶瓷的持久性、耐酸和耐碱性好,是医院、宾馆、家庭、浴缸、地砖、卫生设施等抗菌除臭的理想陶瓷。中国科学院成都有机化学研究所制得的镀在TiO2透明薄膜的陶瓷样品在4盏40W日光灯下照射1小时,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率分别在100%和99

39、199%。413 纳米自洁玻璃利用纳米TiO2超亲水性可制成防雾白洁玻璃19,在玻璃的表面附着纳米TiO2微粒,水与纳米TiO2薄膜接触时,接触角小于510度,附着在其表面的雨水或蒸汽不会形成影响视线的水滴而是迅速地扩散,构成均匀的水膜,这种玻璃特别适合做汽车玻璃,可保证司机有广阔的视野与能见度。玻璃表面覆盖一层TiO2薄膜在阳光下可将大多数病菌和病毒杀死,同时它能把许多有害的物质以及油污等有机污物分解成水和二氧化碳,从而实现了消毒和玻璃表面的自清洁。在居室中使用,还可有效地消除室内的臭味、烟味等异味。在玻璃上涂一薄层TiO2,光照3h可杀灭大肠杆菌;光照4h毒素的含量可控制在5%以下。414

40、 功能纤维20还不断研究和开发了各种新型的含纳米材料的功能纤维。抗菌纤维和除臭纤维就是其中的一种。它是将含有纳米TiO2、ZnO和SiO2等掺入天然、聚合物或长丝中,再纺制出各种抗菌和除臭纤维。抗菌纤维具有优良的保健功能,除用作医疗用品如手术服、护士服和手术巾外,还可制作抑菌防臭的高级纺织品、成衣(内衣、外装、鞋袜、睡衣、围裙、沙发等)及制造长期卧床不起的病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、床单与厕所用纺织品等。近年来还相继出现了抗菌织品、抗菌荧光灯、抗菌塑料、抗菌日用品等。5 纳米环保技术应用前景展望尽管纳米技术的研究取得很大进展,但仍有许多问题有待进一步探索和解决,总结起来还存在如下问题限制

41、了纳米材料的实际应用21:511 纳米材料颗料细小,在废水处理过程中造成随水流失浪费,回收很困难。512 在目前研究中,光催化体系均以人工光源如高压汞灯、黑光线、紫外线杀菌灯等为光源,能量消耗多。能否将可利用的光谱范围增至可见光区并利用太阳光作为光源,是决定其能否规模应用于实践的关键性因素。513 利用纳米材料光催化性能在水处理与空气净化的应用研究中,目前仅限于对有限的品种的有机物进行氧化降解的试验,而对多种有机物混合的废液、废气的氧化降解的效果尚需进一步考察。514 要真正实现纳米产品在环境保护中的实用化,仍有许多有待研究探索的问题。同时还应建立对纳米材料光催化性能的评价体系与系统方法。目前

42、,纳米材料在环境保护中的应用越来越受到了人们的重视。它对于保护环境、维护生态平衡、实现可持续发展具有重大的意义。但此项技术还处于由实验室向工业化发展的阶段,还有许多工作要做。参考文献:1 杨娟玉,陈晓青,等.纳米二氧化钛作为光催化剂在环保领导的应用研究新进展J.精细化工中间体,2002,32(6):5-9.2 Alronso Vidal.Developments in solar photocatalysis for water purifica-tionJ.Chemosphere,1998,37(2):387.3 尹 飞.纳米TiO2催化原理及其在环保领域的应用J.天津城市建设学院学报,20

43、02,8(4):277-282.4 Jing Liqiang,SunXiaojun,ShangJing,et al.Review of surface photo-voltage spectra of nano-sized semiconductor and its applications in het-erogeneous photocatalysisJ.Solar Energy Materials and Solar Cells,2003,79(2):133-151.5 徐瑞芬,胡传康.纳米TiO2光催化剂安全环保性能研究J.中国建材科技,2002,11(5):23-26.6 Young

44、 Cheol Lee,Young Pyo Hong,Ha Yong Lee,et al.Photocataly-sis and hydrophilicity of doped TiO2thin filmsJ.Journal of Colloidand Interface Science,2003,267(1):127-131.7 Tak Hyoung Lim,Sang Done Kim.Trichloroethylene degradation byphotocatalysis in annular flow and annulus fluidized bed photoreactorsJ.C

45、hemophere,2004,54(3):305-312.8 Roberto andreozzi,Raffaele Marotta.Removal of benzoic acid in aque-ous solution by Fe(III) homogeneous photocatalysisJ. Water Re-search,2004,38(5):1225-1236.9 Youn-Chul Oh,Yun Bao,William S Jenks.Isotope of photocatalysis:TiO2-mediated degragation of dimethyl phenylphosphonateJ.Jour-nal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2003,161(1):69-77.10 O M Alrano,D Bahnemann,A E Cassanc,et al.Photocatalysis in en-vionments using artificial and solar lightJ.Cata