纳米材料的特性及其环境保护的应用黄翔化学工程学院材料091摘要概述纳米材料的特性及其环境保护的应用。

纳米材料具有表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

根据纳米材料的吸附和光催化作用，综述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。

关键词纳米材料特性环境保护吸附纳米技术是20 世纪80 年代迅速发展起来的一门交叉性综合学科，包括纳米材料和纳米结构两部分。

纳米材料是指平均粒径在纳米量级（1～100nm）范围内的固体材料的总称。

纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。

纳米粒子的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应影响物质的结构和性质。

人们发现，当物质被粉碎到纳米微粒时，所得的纳米材料不仅光、电、磁特性发生变化，而且具有辐射、吸收、催化、杀菌、吸附等许多新的特性。

发展纳米技术已成为世界性的重大科学技术活动。

Application of Nano-material in Environment Protection Abstract: The adsorption and ray catalyze performance of nano-material is brieflyintroduced.The application of nanomaterial in waste water disposal,air pollution,solid rubbish disposal and environment monitoring is stated.The development in application in environment protection is also proposed.、keywords: nano-material; environment protection; adsorption; catalyze1基本概念纳米材料1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到100 nm以下的材料为纳米材料[1]。

由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100 nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100 nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。

纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。

当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。

橡胶工业常用的纳米材料以非金属类为主,可分为金属氧化物(如氧化锌、三氧化二铝、二氧化钛、三氧化二铁等)和无机盐类(如轻质碳酸钙和陶瓷)。

2纳米材料的特性2·1表面与界面效应固体颗粒的比表面积与其粒径的关系可由下式表示:Sw=K/ρD式中Sw———粒子的比表面积;K———形状因子(球形和立方体粒子的K为6);ρ———粒子的理论密度;D———粒子的平均直径。

由上式可知,粒子的比表面积随着其粒径的减小而增大,从而导致处于表面的原子个数越来越多。

当粒子粒径分别为10,4,2和1 nm时,表面原子所占比例分别为20%,40,80%和99%。

此时表面效应所带来的作用不可忽略。

纳米粒子所具有的大比表面积使键态严重失配,出现许多活性中心,表面台阶和粗糙度增加,出现非化学平衡、非整数配位的化学键,从而导致纳米体系的化学性质与化学平衡的体系有很大差异。

若用高倍电子显微镜对金属超微粒进行观察,会发现这些颗粒没有固定的形态,且随着时间的变化而自动变成各种形状,它既不同于一般固体,又不同于液体,可视为一种准固体。

在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态[2]。

因此纳米粒子具有极高的活性,很容易与其它原子相结合而出现一些非常规现象,如金属的纳米粒子在空气中会燃烧,无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体发生反应等。

2·2量子尺寸效应随着颗粒尺寸的减小,在一定条件下会引起颗粒性质的变化。

一般而言,如果某种结构的某一方向的线度小于费米面上的德布罗意波的波长,则在该方向上的量子尺寸效应非常明显。

由于纳米材料的尺寸小到与物理特征量相差不多,即可与电子的德布罗意波长、超导相干波长、磁场穿透深度及激子玻尔半径相比拟,电子被局限于一个体积非常微小的纳米空间,其运动受到限制,平均自由程变得很短,电子的局域性和相干性增强。

几何线度的下降使纳米体系所包含的原子数大大减少。

日本科学家久保(Kubo)提出了能级间距与金属颗粒直径之间的关系,即著名的久保公式:δ=EF/3N式中δ———能级间距;EF———费米能级;N———总电子数。

宏观物体包含无限个原子,即所含电子数N→∞,则宏观物体的能级间距δ→0;而纳米微粒包含的原子数有限,N值很小,导致δ有一定的值,即能级间距发生分裂,电子结构类似于原子的分立的能级,量子尺寸效应十分显著[3]。

由于粒子尺寸减小、比表面积显著增大,使处于表面的原子、电子与处于粒子内部的原子、电子的行为出现很大的差别。

这就使得纳米体系中的光、热、电、磁等物理性质及化学性质与宏观物体显著不同。

如当金属被细分到小于光波波长时,就失去原有的光泽而呈黑色[4]。

尺寸越小,颜色越黑。

因此,金属超细微颗粒对光的反射率很低。

利用此特性可以作为高效率的光热、光电等变换材料，可以高效地将太阳能转变为热能和电能。

此外,还可用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

又如颗粒的磁化率和比热容随着所含电子的奇偶性会产生光谱线的频移、介电常数的变化等现象。

近年来,人们还发现纳米微粒在含有奇数或偶数电子时显示出不同的催化性质[5]。

2·3宏观量子隧道效应微观粒子如电子具有波粒二象性,因而存在隧道效应[6]。

近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也显示出隧道效应,通常称之为宏观量子隧道效应。

量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础,或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。

如在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近波长时,电子借助隧道效应而溢出器件,器件便无法工作。

经典电路的物理极限尺寸大约为0·25μm。

目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应而制成的新一代器件。

3 纳米材料的吸附和光催化作用吸附是气体吸附质在固体吸附剂表面发生的行为，其发生的过程与吸附剂固体表面特征密切相关。

对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为，纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。

纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用。

另外，纳米离子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。

一种良好的吸附剂，必须满足比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道，吸附容量大等条件，而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。

粒子直径减小到纳米级，会引起比表面积的迅速增加，例如，纳米氧化锡粒径为l0nm 时比表面积为90.3m 2/g，5nm 时比表面积增加到181m2/g，而当粒径小于2nm 时，比表面积猛到450m2/g。

由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力，提供了在环境治理方面应用的可能性。

目前利用光催化作用的主要是TiO2。

普通的TiO2的光催化能力较弱，但纳米级锐钛型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，其光催化降解苯酚的活性上升了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：①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；②反应速度快，在几分钟到数小时有机物的降解即告完成；③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；④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大有用武之地。

4 废水处理4.1 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的治理，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，而解决二次污染，使吸附剂、混凝剂再生是一难题；生化处理法虽可很好地除去污水中的有机物和营养物质，但若污水中含大量重金属，则生化法不再适用，因重金属可使生化系统中毒。

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。

采用纳米TiO2粉末，利用太阳光进行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液，结果在多云和阴天的条件下，光照12h，苯酚的浓度从0.05mmol/L 下降到零，浓度为1mmol/L的十二烷基苯磺酸钠也基本上被降解掉，说明这一技术的可操作性和实用性。

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％。

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地进行光催化反应，除毒、脱色、矿化，分解为CO2和H2O，最终消除对环境的污染。

4.2 无机污染物的处理环境中的无机污染物主要分为两种类型:①有毒金属离子，如Cr6+，Hg2+，Pb2+，Cu2+，Ag+等；②有毒阴离子，如CN－，SCN－，I－，F－等。

近年来，国内外有很多学者发现碳纳米管可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。

Li 等人发现经过硝酸处理过的碳纳米管对Pb2+的吸附量大提高。

当液相平衡浓度为2.7mg/L 时，碳纳米管对铅的吸附量可达15.6mg/g，主要是由于酸化在碳纳米管表面引入了－OH、－C=O、－COOH 等官能团，从而增强了碳纳米管与Pb2+之间的相互作用力。

同时作者也考察了溶液酸度对吸附量的影响。

当溶液酸度过高或者过低都会导致碳纳米管对铅的吸附量减少，所以，通过调节溶液的酸度，就可以控制Pb2+在碳纳米管上的吸附量，从而实现CNT 吸附剂的再生。