纳米材料在环境保护中的应用现状及展望X

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014030)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:1006—7981(2011)05—0025—021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: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;º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;¼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%。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10～20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、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3～9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55～70nmCo-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、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:¹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用于铺设田径运动场、道路和新干线的路基等。º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].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,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