《环境工程概论》论文：纳米技术与环境保护

《环境工程概论》论文：纳米技术与环境保护纳米技术(Nanotechnology)是指在纳米（0.1～100nm）尺度范围内研究物质的特性及其相互作用和运动的规律，并利用这些特性为人类服务的技术，包括纳米材料和纳米结构两个方面。目前发展较为成熟的应用技术主要有：纳米材料、纳米药物、纳米机械、纳米微电子器件等。被称之为21世纪前沿科学的纳米材料和纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念利利用纳米材料和纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。一、噪声污染控制飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达到上百分贝，容易对人造成危害，但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，可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。纳米粒子的抗摩减摩机理主要通过以下3条途径实现：1．类似“微轴承”作用，减少摩擦阻力，降低摩擦系数；2．在摩擦条件下，纳米微粒在摩擦副表面形成了一个光滑保护层；3．填充摩擦副表面的微坑和损伤部位，起修复作用。纳米微粒添加剂的作用机理不同于传统添加剂，与其本身所具有的纳米效应有在摩擦过程中，因摩擦表面局部温度高，尤其在高负荷下，纳米微粒极有可能处于熔化、半熔化或烧结状态，从而形成一层纳米膜。另外纳米微粒具有极高的扩散力和自扩散能力(比体相材料高十几个数量级)，容易在金属表面形成具有极佳抗摩性能的渗透层或扩散层，表现出“原位摩擦化学原理”(In-situtribochemicaltreament)。这种机理认为，纳米添加剂，尤其在高负荷条件下它们的润滑作用不再取决于添加剂小的元素是否对于基体是化学活性的，而很大程度上决定于它们是否与基体组分形成扩散层或渗透层和固溶体。纳米添加剂的这一性能，解决了润滑油和燃油添加剂设计上长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况，同时解决了S、P、Cl对基体金属造成的腐蚀和带来的环境问题。二、固体废弃物处理-2-纳米技术及材料应用于固体废弃物处理，其优越性主要体现在以下两个方面：首先，纳米级处理剂降解固体废弃物的速度快。例如，纳米TiO2降解固体废弃物的速度为常规TiO2的10倍。纳米TiO2具有很强的散射和吸收紫外线的能力，尤其是对人体有害的中长波紫外线UVA、UVB(320-400nm，290-320nm)的吸收能力很强，效果比有机紫外吸收剂强得多，并且可透过可见光，因其无毒无味、无刺激性而广泛用于化妆品。在对日本销售的37种防晒化妆品的分析中，发现其中大多数均含有纳米TiO2。英国Tioxide公司将超微细的TiO2粉末制成浆状产品以供化妆品厂家使用，美国也开发出了6种商品化的无机防晒剂。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、轮船面漆的防老化剂，防紫外线伞等。其次，利用纳米技术可以将橡胶塑料制品、废旧印刷电路板制成超细粉末，除去其中的杂质，将其作为再生原料回收。在日本将废橡胶轮胎制成粉末用于铺设运动场、道路以及新干线的路基等。因此，纳米技术可在很大程度上缓解固体废弃物给环境带来的巨大的压力也可以减轻填埋等传统方式所带来的二次污染。三、污废水处理方面纳米过滤技术纳米过滤（NanoFiltration，NF）是一种由压力驱动的新型膜分离过程，介于反渗透与超滤之间。纳滤膜的孔径范围在纳米级，其相对分子质量截留范围为数百。纳滤的特点：一是在过滤分离过程中，它能载留小分子的有机物并可同时透析出盐，即集浓缩与透析为一体；二是操作压力低，因为无机盐能通过纳滤膜而透析，使得纳滤的渗透压远比反渗透低。纳滤在工业生产过程中资源的回收或工业废水的处理和循环中有着重要的作用。自清洁涂料最近发现，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7d后又回到疏水性状态，再用紫外光照射，又表现出超亲水性。采用间隙紫外光照射，可使表面始终保持超亲水性状态。此特性可用于表面防雾及自清洁等方面。镀有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。将TiO2的光催化性能和超亲水性结合应用于玻璃、陶瓷等建筑材料，在医院、宾馆和家庭中具有广阔的应用前景。四、纳米光催化技术光催化降解是一项新兴的颇有发展前途的废水处理技术，它是指污染物在光照下，通过催化剂实现分解。常用的光催化剂有TiO2，ZnO，CdS，SnO2，Fe2O3等。纳米颗粒由于具有常规颗粒所不具备的纳米效应而具有更高的催化活性。-3-光催化消毒剂纳米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。实验结果表明，将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99%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。日本最近开发出用于TiO2覆被的抗菌陶瓷，在光照下可完全杀死其表面的细菌。最近福州大学也研制出坚固的掺杂TiO2膜的陶瓷材料，对大肠杆菌和空气中的浮游菌具有稳定的杀灭作用和抑制细菌生长的能力。近年来不断研究开发出含有超细TiO2，ZnO等微粉的抗菌除臭纤维，不仅用于医疗，而且还可制成抑菌防臭的高级纺织品、衣服、围裙及鞋袜等。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。美国、日本、英国等已有将纳米TiO2光催化技术实际应用于水处理的报道。五、纳米吸附材料由于纳米材料所具有的表面效应，使纳米材料具有高表面活性、高表面能和高比表面积，所以纳米材料在制备高性能吸附材料方面表现出巨大的潜力。一种新型的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10～20倍。因此，它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，先使水中不含悬浮物，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙及异味等。经前两道净化工序后，水体清澈，没有异味，口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以100%除去水中的细菌、病毒，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。据李明等报道，某公司采用纳米材料用于污水处理净化剂、絮凝剂和杀菌消毒剂中，这些纳米材料形成的多元复合新型超高效水处理剂，不仅治污效果好，而且缩短了工艺流程、降低了药剂费用。（一）纳米材料在空气净化中的应用纳米材料在处理空气污染方面有广阔的应用前景，因其具有较小的颗粒尺寸，而且纳米微粒表面形态随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而起到以下三个方面的作用：1）提高反应速度，增加反应率；2）决定反应路径，良好的选择性；3）降低反应温度。1．二氧化碳排放的控制二氧化碳减排方面目前有5种技术选择：选择新的能源、提高能源效率、二氧化碳固定、二氧化碳分离以及二氧化碳利用。而在技术层面，主要是采用新的生产工艺和新型的催化剂，以提高反应效率。例如，用燃煤发电产生的二氧化碳合成液体车用燃料降低二氧化碳排放的Carnol工艺，就是采用了纳米结构的甲醇合成催化剂，取得了很好的效果。2．空气中硫氧化物的净化-4-纳米技术的催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01%。在燃料燃烧的同时加入纳米级催化剂不仅可以使煤充分燃烧,不产生一氧化硫气体,提高能源利用率,而且会使硫转化成固体的硫化物。3．汽车尾气净化纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。而用纳米复合材料制备与组装的汽车尾气传感器,通过汽车尾气排放的监控,可及时对超标排放进行报警,并通过调整合适的空燃比,减少富油燃烧，达到降低有害气体排放和燃油消耗的目的。纳米稀土钛矿型复合氧化物对汽车尾气所排放的NO，CO等具有良好的催化转化作用,可以替代昂贵的重金属催化剂用作汽车尾气催化剂。将合成的纳米介孔结构的碳分子筛应用于催化柴油的吸附改质，也具有非常优越的性能。3.1汽车尾气净化催化剂最新研究成果表明，复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其他任何汽车尾气净化催化剂东欧不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳（CO）和氮氧化物（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3价和4价之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性，在加上纳米材料比表面大，空间悬键多，吸附能力强，因此它在氧化一氧化碳的同时还还原氮氧化物，使它们转化为对人体和环境无害的气体——二氧化碳和氮气。科学工作者研制的更新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸发挥催化作用，是汽油在燃烧时就不产生CO和NOx，从而我、无需进行尾气净化处理。3.2石油脱硫催化剂工业用及车用燃料油是最大的二氧化碳污染源，燃料油中的含硫化合物在燃烧后会产生SO2，所以石油炼制工业有脱硫工艺以降低汽柴油的硫含量。采用半径为55-70nm的钛酸钴（CoTi3）作为催化活体，以多孔硅胶或Al2O3陶瓷作为载体的催化剂进行脱硫，其催化效率极高。采用沉淀溶出法制备的粒径约30-60nm的白色球状钛酸锌粉体，该粉体比表面积大，化学性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸粉提效果明显提高。经催化的石油中硫的含量小于0.01%，达到国际标准。3.3纳米燃油添加剂纳米技术为添加剂市场开辟了新的市场机遇。北京大学博雅公司利用纳米技术研制开发出NANO牌纳米燃油添加剂，采用液相纳米技术生产的燃油添加剂。以纳米级的微爆使燃油二次雾化，与空气混合均匀、充分，使燃烧进行更彻底，可广泛应用于工业和商业用汽油、柴油和重油等。纳米燃油添加剂还可以大幅增加动力，降低燃油消耗，提高发动机性能并延长其寿命，减少尾气中有害物质的排放，保护环境。该添加剂采用创新的纳米微乳化技术生产的新一代多用途燃油添加剂，可以全面解决辛烷值强化剂、清洁剂和皆有添加剂所单独解决的问题，还可-5-以整体改善发动机的性能，是一种全新概念的具有综合性能的第四代环保型燃油添加剂。纳米燃油添加剂可降低发动机对辛烷值的要求、提高动力性能、节约燃油、降低排污、改善车辆性能。3.4煤炭用助燃催化剂工业用煤燃烧后也会产生SO2气体，在燃料燃烧时，加入一种纳米级催化剂，不仅可以使煤充分燃烧，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，不产生二氧化硫气体，从而杜绝有害气体的产生。室内空气净化纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧化膜能与细菌细胞或细胞内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，即利用纳米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。4．环境污染监测碳纳米管可以用于探测有毒的二氧化氮和氨气，利用纳米技术研制的探测器是由两端连接金属导线的纳米碳管组成。有毒的氮氧化物(NOx)和氨气(NH3)可导致酸雨和温室效应，因此其在大气中的含量必须适时监测。现有监测技术成本高，不便移动作业，所需温度高。碳纳米管可以用于探测有毒的二氧化氮和氨气，利用纳米技术研制的探测器是由两端连接金属导线的纳米碳管组成。该探测器可以在室温下用于监测氮氧化物(NOx)和氨气(NH3)浓度，造价低廉，并且体积微小，只有3μm长，仿佛是用微芯片进行