功能纳米材料与环境保护 前言 纳米科学技术这一概念最早源于诺贝尔奖获得者美国物理学家Richard Feynman在1959 年所作的“ 人类可按照自己的意愿用单个分子甚至单个原子组装、制造出最小的人工机器来” 的预言的构想。这是纳米技术最早的萌芽。 1982 年扫描隧道显微镜的研制成功为纳米技术的诞生与发展奠定了坚实的基础。1990年, 首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩召开, 这标志着纳米科学技术的正式诞生纳米科学技术发展历史不长, 但己受到国内外的高度重视, 认为它将是21 世纪最重要的科学技术。目前, 世界工业先进国家都将纳米科技列入国家主要发展计划之中。我国政府也十分重视纳米科技的发展, 国家科技部、国家计委、中科院等部门联合发布了《国家纳米科技发展纲要》: 国家资助的“ 纳米科学攀登计划” 等与纳米科技有关的高科技创新课题也己取得了一些重大成果。实现纳米科技与环境保护、污染防治的有机结合将为节约资源、保护环境、 实现可持续发展提供有效的技术保障。 1 纳米技术简介 1.1 纳米 “ 纳米”(nanometer , nm )是一种几何尺寸的度量单位,1纳米等于10亿分之一米, 略等于4 ~ 5个原子排列起来的长度, 约为人发直径的1/ 100000。 1.2 纳米技术 纳米技术(纳米科学与技术的简称)是在1-100 nm 尺度范围的物质世界, 研究电子、原子和分子运动规律与特征的一门新兴学科, 其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子, 研制出体积不超过数百个纳米但具有特定功能的、人们所希望的材料与制品。它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。 纳米技术主要包含: 纳米材料学、纳米生物学、纳米动力学、纳米加工学、纳米摩擦学、纳米测量学、纳米化学和纳米物理学等。 1.3 纳米材料及其特性 纳米材料又称为超微颗粒材料, 是经过纳米技术处理, 由纳米粒子组成, 结晶粒度为纳米级(1-100nm )的多晶材料, 即三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级。纳米材料一般分为: 纳米颗粒、纳米薄膜(多层膜和颗粒膜)和纳米固体。纳米粒子也叫超微颗粒, 一般是指尺寸在1-100nm间的粒子, 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米量级的材料因其物质颗粒接近原子大小, 此时量子效应开始影响到物质的性能和结构, 使其具有表面与界面效应、体积(小尺寸)效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应, 从而在机械性能、磁、光、电、热等方面纳米材料与传统材料有很大的不同, 具有辐射、吸收、催化、吸附及二元协同性等许多新特性。人们利用这些新的特性可以人工合成自然界不存在的或自然界存在但人类还没有模仿出来的新材料, 并采用全新的纳米技术把这些材料应用于各个领域, 促进社会经济发展, 提高人们的生活质量。 2 纳米材料在环境保护中的应用现状 2.1 应用纳米技术制备自清洁环保界面涂料 研究发现, 由于纳米尺度上的物质具有许多不同寻常的特性,从而可以利用纳米技术研制出一系列具有奇异功能的纳米界面材料。利用纳米技术研制开发的纳米TiO2在紫外光照射条件下,表面结构发生变化而具有超亲水性,停止紫外光照射,数小时或7 d后又回到疏水性状态,再用紫外光照射,又表现出超亲水性。镀有纳米TiO2的表面因为其超亲水性, 使油污不易附着, 即使有所附着, 也是和外层水膜结合, 在外部风力、水淋冲及自重作用下能自动从涂层表面剥离, 从而达到防污和自清洁的目的。太阳光中的紫外线足以维持纳米TiO2薄膜表面的亲水特性, 从而使其表面具有长期的自洁去污效应阴。这一特性可广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等的自清洁及镜面防雾等方面。近日, 在北京国防科技大学的安居工程上 , 采用了市场上最新的纳米改性涂料防水耐污染高耐候性外墙涂料, 这种“ 纳米涂料”是新型绿色环保产品, 在高档乳胶漆性能的基础上, 提高了乳胶漆的耐污染性、耐候性和防水性; 大大延长了建筑外墙的使用寿命, 长久保持建筑外墙的美观、洁净和艳丽的色彩。 2.2 应用纳米技术制备光催化环保杀菌消毒材料 利用纳米技术研制开发的纳米TiO2具有极强的杀菌消毒作用, 其作用机理是纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类能与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应,使细菌头单元失活而导致细胞死亡, 并且使细菌死亡后产生的内毒素分解。研究表明, 将纳米TiO2涂覆在玻璃、陶瓷表面, 经室内荧光灯照射1h 后可将其表面9 9 % 的大肠杆菌、绿脓杆菌、金色葡萄球菌杀死。这种瓷砖若用于医院,则覆着于墙面上的细菌数和空气中的浮游菌数明显下降; 若用于卫生间, 则可明显降低氨气浓度。纳米TiO2光催化杀菌也可用于深度净化饮用水。李田等人在大比表面积的玻璃纤维网上制成粘结牢固、催化活性良好的纳米TiO2膜, 能明显降低自来水中的总有机物量和细菌总数, 全面改善水质以达到直接饮用的要求。 2.3 应用纳米技术制备防紫外线光吸收材料 由于纳米微粒的尺寸小于可见光波长, 因此, 其对光的反射率低于l%, 即可吸收9 9 % 以上的光。利用纳米材料的这种光学性质, 纳米微粒可作为添加剂制备出对光波有选择性吸收的新材料, 如利用纳米微粒吸收紫外光的特性,使其在防晒化妆品、塑料、金属防腐等方面得到应用。(l ) 应用于人体防晒化妆品，太阳光对人体有害的紫外线主要在300nm—400nm波段, 如果在防晒化妆品中添加对此波段的光有强吸收作用的纳米微粒, 如: TiO2、SiO2、MgO 和ZnO等,就能保护皮肤不受紫外线的伤害。调查表明,与现在广泛用作化妆品中防晒成分的有机紫外吸收剂相比, 纳米微粒吸收剂具有吸收能力强、无毒、性质稳定、效果好等优点。(2 ) 应用于塑料、金属防腐保护涂层一金属和塑料在紫外线照射下很容易老化变脆或腐蚀,如果在塑料或金属表面涂一层含有纳米微粒的透明涂层, 吸收紫外光, 就可防止塑料老化或金属腐蚀。 2.4 纳米技术在污染防治中的应用 大气污染一直是各国政府需要解决的难题,空气中超标的二氧化硫(SO2), 一氧化碳(CO )和氮氧化物(NOx)是影响人类健康的有害气体, 纳米材料和纳米技术的应用为解决产生这些气体的污染源问题提供了新的解决方法。利用纳米材料的催化活性治理大气污染，可以应用于燃料脱硫处理，利用纳米技术研制开发的纳米钦酸钻(CoTiO3)及钦酸锌(ZnTiO3)粉体是一种非常好的石油脱硫催化剂。还可以应用于汽车尾气净化处理，利用纳米技术研制开发的复合稀土化合物的纳米级粉体是一种新型汽车尾气净化催化剂, 纳米级粉体有极强的氧化还原性能。它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NOx的污染问题。以活性碳作为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂, 由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+, 电子可以在其三价和四价离子之间传递,因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性, 再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强, 因此它在氧化CO的同时还原NOx，使它们转化为对人体和环境无害的气体CO2和N2。利用纳米材料的优良吸附特性治理空气污染。应用于室内空气的光催化净化剂，利用纳米技术研制开发的合成稀土光催化剂〔, 习可以很好地降解这些物质, 其中纳米TiO2的降解效率最好, 将近达到100%。其降解机理是在光照条件下将吸附于其表面的家庭和建筑装修以后新建材、豁结剂等产生的甲醛, 吸烟产生的乙醛, 生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨等各种有毒、有害、致癌、有机污染物氧化分解为二氧化碳、水和有机酸而有效地去除。它最大的优点为: 在不改变空气自然状态的大前提下过滤空气中的有害物质, 增加室内空气的含氧量。 在阅读大量文献的基础上发现，现在利用纳米材料的优异的吸附性能来处理化工工业区的异味、异物等对环境有害的物质的报道非常的少，因此研究新型纳米材料来处理化工工业区的环境污染这一课题有一定的可行性。众所周知，化工工业区的环境质量是非常的差的，污染相当的严重，对当地的环境质量也有很大的影响。在化工区，异味比较严重，有些厂区甚至是有刺鼻的异味，对于厂区的工作人员来说，这种工作环境是比较恶劣的，而在改善这种恶劣环境的研究工作应该是有进行中，但是很少有应用于实际的治理，因此，这方面的研究工作还需要很大的工作量来做的。现在应经有新型纳米材料应用于汽车尾气处理，室内污染物的催化净化，我认为可以在现有的处理污染物技术的基础上，利用TiO2优良的催化降解性能，研制出新的可吸附降解多种有机污染气体的新型纳米材料。这种新型的纳米材料有很大的应用价值，对保护环境、治理污染、改善化工厂区恶劣的工作环境有很大的帮助。 2.5 纳米技术在水污染防治方面的应用 传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题, 污水治理一直得不到好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。 1纳米过滤水处理技术 纳滤技术是一种介于反渗透与超滤之间的同属于压力驱动的新型膜分离技术, 适用于分离相对分子量界限为200--1000、分子尺寸约为1nm 的溶解组分。利用超滤技术单独处理水时的去除率较差, 而反渗透技术虽有较强的去除率, 但去除有害物质时亦同时将大量的有益无机离子除去,出水呈酸性。纳滤分离技术能截留大部分有机小分子使大部分无机盐通过, 可实现不同价态离子的分离, 它的出现填补了反渗透与超之间的空白。纳滤水处理技术在水处理中的应用非常广泛, 大致分为以下几个方面: (l) 硬水软化处理; (2) 饮用水的净化处理; (3) 受污染地表水与地下水的净化处理; (4) 工业废水的净化处理;(5) 水的深度处理。 2半导体纳米粒子光催化氧化水处理技术 半导体纳米粒子光催化氧化是一项新兴的颇有发展前途的废水处理技术, 是在紫外光照射下, 纳米粒子表面会产生氧化能力极强的羟基自由基,使水中大多数的有机污染物及部分无机污染物彻底氧化降解为CO2和H2O 无害物质。目前, 在光催化氧化降解领域所采用的光催化剂多为N 型半导体材料如TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等。其中TiO2因其活性高、化学稳定性好、对人体无害而最受重视。自1976年CaryJ.H等人报道了在紫外光照射下, 纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯的光催化水处理技术后, 引起了各国众多研究者的普遍重视。迄今为止,已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解, 特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时, 这种技术有着明显的优势。该技术具有降解速度快、氧化条件温和、无选择性、无二次污染、应用范围广等特点。 3 高效纳米级水处理药剂直接处理技术 由于纳米材料所具有的表面效应, 使纳米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面积, 所以纳米材料在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力。利用纳米技术研制开发的一种新型纳米级净水剂具有很强的吸附能力,它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10 ~ 2 0 倍。它能将污水中悬浮物吸附并沉淀下来, 然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置, 有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味污染物。我国湖南省研制成功的“ Z氏法” 污水处理技术 , 其原理是利用纳米技术对常用的污水处理净水剂、絮凝剂和杀菌消毒剂加以物化改性, 从而形成多元复合新型高效水处理剂。纳米超高效水处理剂具有传统水处理剂无法比拟的污水净化效果, 同时药剂费用低、应用范围广、使用方便。 在利用纳米技术处理水的方面的研究，很多科研工作者都做了大量的研究工作，也有些成熟的技术已经用于工业生产中。但是对于应用新型的纳米材料来直