納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)展

1、納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的最新應(yīng)用進(jìn)展(一)納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的最新應(yīng)用進(jìn)展 1 噪聲污染控制  飛機(jī)、車(chē)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)械作用力將大為減小，噪聲污染可得到有效控制。運(yùn)用納米技術(shù)開(kāi)發(fā)的潤(rùn)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(rùn)滑作用，得以大大降低機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，又能延長(zhǎng)它的使用壽命。  納米粒子的抗摩減摩機(jī)理主要通過(guò)以下3條途徑實(shí)現(xiàn)：類(lèi)似“微軸承”作用，減少摩擦阻力，降低摩擦系數(shù)；在摩擦條件下，納米微粒在摩擦副表面形成了一個(gè)光滑

2、保護(hù)層；填充摩擦副表面的微坑和損傷部位，起修復(fù)作用。  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)，在摩擦過(guò)程中，因摩擦表面局部溫度高，尤其在高負(fù)荷下，納米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。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“原位摩擦化學(xué)原理”(In-situ tribochemical treament)。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(rùn)滑作用不再取決于添加劑小的元素是否對(duì)于基體是化學(xué)活性的，而很大程度上決

3、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，解決了潤(rùn)滑油和燃油添加劑設(shè)計(jì)上長(zhǎng)期依賴(lài)S、P、Cl等活性元素的狀況，同時(shí)解決了S、P、Cl對(duì)基體金屬造成的腐蝕和帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。  2 固體廢棄物處理  納米技術(shù)及材料應(yīng)用于固體廢棄物處理，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，納米級(jí)處理劑降解固體廢棄物的速度快。例如，納米TiO2降解固體廢棄物的速度為常規(guī)TiO2的10倍。其次，利用納米技術(shù)可以將橡膠塑料制品、廢舊印刷電路板制成超細(xì)粉末，除去其中的雜質(zhì)，將其作為再生原料回收。在日本將廢橡膠輪胎制成粉末用于鋪設(shè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、道路以及新干線的

4、路基等。因此，納米技術(shù)可在很大程度上緩解固體廢棄物給環(huán)境帶來(lái)的巨大的壓力也可以減輕填埋等傳統(tǒng)方式所帶來(lái)的二次污染。  3 自清潔涂料  最近發(fā)現(xiàn)，TiO2在紫外光照射條件下，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而具有超親水性，停止紫外光照射，數(shù)小時(shí)或7d后又回到疏水性狀態(tài)，再用紫外光照射，又表現(xiàn)出超親水性。采用間隙紫外光照射，可使表面始終保持超親水性狀態(tài)。此特性可用于表面防霧及自清潔等方面。鍍有TiO2的表面因?yàn)槠涑H水性，使油污不易附著，即使有所附著，也是和外層水膜結(jié)合，在外部風(fēng)力、水淋沖及自重作用下能自動(dòng)從涂層表面剝離，從而達(dá)到防污和自清潔的目的。將TiO2的光催化性能

5、和超親水性結(jié)合應(yīng)用于玻璃、陶瓷等建筑材料，在醫(yī)院、賓館和家庭中具有廣闊的應(yīng)用前景。  4 光催化消毒劑  納米TiO2經(jīng)光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧類(lèi)能與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)的組成成分進(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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將TiO2涂覆在玻璃、陶瓷表面，經(jīng)室內(nèi)熒光燈照射1h后可將其表面99%的大腸桿菌、綠膿桿菌、金色葡萄球菌殺死。這種瓷磚若用于醫(yī)院，則覆著于墻面上的細(xì)菌數(shù)和空氣中的浮游菌數(shù)明顯下降；若用于衛(wèi)生間，則可明顯降低氨氣濃度。日本最近開(kāi)發(fā)出用于TiO2覆被的抗菌陶瓷，在光照下可完全殺死其

6、表面的細(xì)菌。最近福州大學(xué)也研制出堅(jiān)固的摻雜TiO2膜的陶瓷材料，對(duì)大腸桿菌和空氣中的浮游菌具有穩(wěn)定的殺滅作用和抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的能力。近年來(lái)不斷研究開(kāi)發(fā)出含有超細(xì)TiO2，ZnO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(jí)紡織品、衣服、圍裙及鞋襪等。  5 監(jiān)測(cè)環(huán)境污染  有毒的氮氧化物(NOx)和氨氣(NH3)可導(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)。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)成本高，不便移動(dòng)作業(yè)，所需溫度高。碳納米管可以用于探測(cè)有毒的二氧化氮和氨氣，利用納米技術(shù)研制的探測(cè)器是由兩端連接金屬導(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)

7、氮氧化物(NOx)和氨氣(NH3)濃度，造價(jià)低廉，并且體積微小，只有3m長(zhǎng)，仿佛是用微芯片進(jìn)行化學(xué)分析的“芯片實(shí)驗(yàn)室”。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。  6 防止電磁輻射  納米TiO2具有很強(qiáng)的散射和吸收紫外線的能力，尤其是對(duì)人體有害的中長(zhǎng)波紫外線UVA、UVB(320-400nm，290-320nm)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(guò)可見(jiàn)光，因其無(wú)毒無(wú)味、無(wú)刺激性而廣泛用于化妝品。在對(duì)日本銷(xiāo)售的37種防曬化妝品的分析中，發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)均含有納米TiO2。英國(guó)Tioxide公司將超微細(xì)的TiO2粉末制成漿狀產(chǎn)品以供化妝品

8、廠家使用，美國(guó)也開(kāi)發(fā)出了6種商品化的無(wú)機(jī)防曬劑。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(chē)、輪船面漆的防老化劑，防紫外線傘等。  納米材料屬于當(dāng)代材料科學(xué)的前沿學(xué)科，納米材料和技術(shù)領(lǐng)域新產(chǎn)品的創(chuàng)新必須以市場(chǎng)導(dǎo)向、需求為牽引。目前，我國(guó)已建立起納米材料和技術(shù)生產(chǎn)線10多條，以納米材料和技術(shù)注冊(cè)的公司近百個(gè)，納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已在我國(guó)興起。作為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并有廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念，利用納米技術(shù)解決污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 (二) 納米材料在污水處理中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的

9、水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問(wèn)題，污水治理一直得不到好的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。  1 納米過(guò)濾技術(shù)  納米過(guò)濾(nanofiltration，NF)，是一種由壓力驅(qū)動(dòng)的新型膜分離過(guò)程，介于反滲透與超濾之間。納濾膜的孔徑范圍在納米級(jí)，其相對(duì)分子質(zhì)量截留范圍為數(shù)百左右。納濾的特點(diǎn)是：在過(guò)濾分離過(guò)程中，它能載留小分子的有機(jī)物并可同時(shí)透析出鹽，即集濃縮與透析為一體。操作壓力低，因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽能通過(guò)納濾膜而透析，使得納濾的滲透壓遠(yuǎn)比反滲透為低。納濾在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中資源的回收或工業(yè)廢水的處理和循環(huán)中有著重要的作用。 &#

10、160;2 納米光催化技術(shù)  光催化降解是一項(xiàng)新興的頗有發(fā)展前途的廢水處理技術(shù)，它是指污染物在光照下，通過(guò)催化劑實(shí)現(xiàn)分解。常用的光催化劑有TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等。納米顆粒由于具有常規(guī)顆粒所不具備的納米效應(yīng)，而具有更高的催化活性。自1976年Cary J.H.等人報(bào)道了在紫外光照射下，納米TiO2可使難降解的有機(jī)化合物多氯聯(lián)苯脫氯的光催化水處理技術(shù)后，引起了各國(guó)眾多研究者的普遍重視。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機(jī)化合物可以在紫外線的照射下通過(guò)納米TiO2或ZnO而迅速降解，特別是當(dāng)水中有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法很難降解時(shí)，這種技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)、日本、英國(guó)等已有將納米TiO2光催化技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于水處理的報(bào)道。  3 納米吸附材料  由于納米材料所具有的表面效應(yīng)，使納米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面積，所以納米材料在制備高性能吸附方面表現(xiàn)出巨大的潛力。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(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吸附并沉淀下來(lái)，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭?jī)艋b置，能有效地除去水中的鐵銹、泥沙及異味等。經(jīng)前兩道凈化工序后，水體清澈，沒(méi)有異味，口感也較好。