纳米材料在环境保护领域的应用研究.pdf

2 0 0 8 年2 月第2 期(总第1 11 期)广西轻工业G u A N G J o I 瓜N A Lo FL I G H TI N D u S T R Y化工与材料纳米材料在环境保护领域的应用研究邓勇航1,2(1 湖南省醴陵市环保局湖南醴陵4 1 2 2 0 0；,2 湖南省醴陵市环保产业办，湖南醴陵4 1 2 2 0 0)【摘要】纳米技术是一门高新技术学科，纳米材料因其特殊的性质使其在环境科学上有着广阔的应用前景。本文阐述了纳米材料的基本性质。对纳米材料在大气污染治理、水污染治理和其它环保领域的应用进行了讨论。研究表明，利用纳米科技及纳米材料解决环境污染问题已经成为环境保护研究的必然趋势。【关键词】纳米技术；纳米材料；环境保护；环境工程【中图分类号】X 5；X 5 0 6【文献标识码】A【文章编号】1 0 0 3 2 6 7 3(2 0 0 8)0 2 1 6 0 2纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“2 1 世纪最有前途的材料”。纳米技术研究在0 1 1 0 0 n m 尺度范围内物质具有的特殊性能及其应用。广义的纳米材料是指在三维空间中，至少有一维达到纳米尺度范围。或以其为基本单位所构成的材料l l】。纳米材料具有辐射、吸收、杀菌、吸附等特性，众多研究表明这些新特性将在环境保护领域产生深远的影响。本文就纳米材料及其在环境保护领域的应用进行了阐述。1 纳米材料的基本性质嘲1 1 表面效应用高倍电子显微镜对金超微颗粒(直径为2 1，3 斗m)进行电视摄像。实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体等)的晶型，既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。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，尺寸大于1 0 斗m 后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。1 2 小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变。在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生特殊的光学、热学、磁学、力学、声学、超导电性、介电性能以及化学性能等一系列新奇的性质。2纳米材料在大气污染治理方面的应用2 1 空气中硫氧化物的净化二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体，如果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。如用纳米F e：0，作为催化剂。经纳米材料催化的燃料中硫的含量小于0 0 1，不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也减少了因为能源消耗所带来的环境污染问题，而且使废气等有害物质再利用成为可能。【作者简介】邓勇航(1 9 6 8 一)，男工程师。研究方向：环境工程。1 62 2 汽车尾气净化汽车尾气排放直接污染人们的生活空间及呼吸层。对人体健康影响极大。开发替代燃料或研究用于控制汽车尾气对大气污染材料。对净化环境具有重要的意义。用纳米复合材料制备与组装的汽车尾气传感器问，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N O、C O 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。2 3 室内空气净化新装修房间空气中的有机物浓度大大高于室外，而光催化剂可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物，纳米T i O：的降解效果最佳。纳米T i O：经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧膜化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T i O：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四。在医院的病房、手术室及生活空间安放纳米T i O：光催化剂可具有杀菌、除臭作用。3 在水污染治理方面的应用3 1 处理无机污染废水污水中的重金属对人体的危害很大，重金属的流失也是资源的浪费。纳米粒子能对水中的重金属离子通过光电子产生很强的还原能力同。如纳米T i O：能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附于表面，井将其还原为细小的金属晶体，既消除了废水的毒性，又回收了贵重金属。3 2 处理有机污染废水大量研究表明纳米T i O：等作为光催化剂，在阳光下催化氧化水中的有机污染物。使其迅速降解。至今为止己知纳米T i O：能处理8 0 余种有毒污染物，它可以将水中的各种有机物很快完全催化氧化成水和C O 等无害物质图。例如P i n t a r 等在间歇式反应器中纳米R u T i O：作催化剂，对酸性或碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机总碳T O C 的去除率可达到9 9 6，并使废水完全脱色。经光催化湿空气氧化处理后的工厂废水对弧菌的毒性的实验表明，用该方法处理后的工厂漂白废水完全可以进一步生物降解。3 3 自来水的净化处理新型纳米级净水剂r 7】的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂 万方数据A I：0，的1 0 2 0 倍，能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等。再经过由带有纳米孔径的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1 0 0 除去水中的细菌、病毒。得到高质量的纯净水。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。4在其它环保领域的应用4 1 噪声控制飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达上百分贝，容易对环境造成噪声污染。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少，噪声污染便可得到有效控制。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，大大降低机器设备运转时的噪声。又能延长设备的使用寿命册。4 2 固体废物处理纳米技术及纳米材料应用于城市固体垃圾处理，主要有两个方面研：一是可以将橡胶制品、塑料制品、废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；二是利用纳米T i O：催化技术可以使城市垃圾J 决速降解，其速度可达到大颗粒T i O：的1 0 倍以上，从而缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力。4 3 防止电磁辐射近年来电磁场对人体健康的影响问题已经成为一个新的研究热点。在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，通过在墙内加入纳米材料层或涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。中科院理化所利用纳米技术研究出了新一代手机电磁屏蔽材料，可以实现手机信号抗干扰能力，同时大大降低电磁波辐射。4 4 在照明工程方面的应用火力发电排放的C O：、S O：、烟尘悬浮物等会引起温室效应、酸雨和环境污染，通过照明节电可以带来巨大的社会、经济和生态效益【I q。在照明工程中，最理想的节电措施是充分利用太阳光来照明，利用一些纳米材料的光致发光特性是可行的办法，白昼吸收自然光并贮存起来，晚上再直接把光射到需要的地方。这从多孔硅光致发光现象得到了验证。5结语随着纳米科技和纳米材料的研究深入，特别是纳米科技与环境保护和环境治理的进一步有机结合，许多环保难题将会得到解决。有理由相信，纳米科技作为一门新兴科学，必将对环境保护产生深远的影响，利用纳米科技解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。参考文献【1 1 1S w U iE，M o r r i sS P h o t o c a t a l y s i sf o rw 3 t c rp u r i f i c a t i o u 1 W a t e rR e s 19 9 9 3 3(8)：5-7【2 1 李采，曾广斌纳米粒子】化学通抿1 9 9 5，6：2 9-3 1【3】李良果，郑庆龙，张克纳米柱子结构分析D】化工新型材料，1 9 9 1，1 9(1 2)：1 2 1 3【4】草爱苗，廖雷蚋米技术及纳米材料在环境治理中的应用】中山大学学报(自然科学版)，2 0 0 4 4 3(增刊)：2 2 5-2 2 8【5】杨健森蝻米环保技术的发展现状与前景0 1 科技通报，2 0 0 2,1 8(4)：3 4 0-3 4 3【6】马荣萱，李继忠纳来技术及其材料在环境保护中的应用】环境科学与技术，2 0 0 6 2 9 f 7)：11 2-1 1 5【7】胡伟武冯传平纳米材料和纳米技术在环境保护方面的应用U】化工新型材料，2 0 0 7，3 5(3)：1 4-1 6【8】戴晓峰纳米技术在环境保护中的应用D】生物学杂志，2 0 0 6，2 3(4)：6 1-6 2 9 1 罗明良。蒲春生纳米技术及材料在环保中的应用与展望U 1 化工新型材料，2 0 0 1，2 9：2 7-2 8【1o】陈仲林，张玉奇，严得忠纳米技术在绿色照明工程中的应用前景o】照明工程学报，1 9 9 7。3：4 8 5 2(上接第3 6 页】5 软起动器的选用及注意事项软起动器应用领域可以涵盖工农业生产中的异步电动机传动设备。原则上凡不需要调速的各种应用场合都可适用，特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。目前多用在交流3 8 0 V、电机功率从5 5 千瓦到8 0 0 k W的场合(国外产品电压达6 1 0 K V、功率5 0 0 0 K w)，是传统启动方式理想的更新换代产品。在选用软起动器时，除了进行技术、性能、价格比较外，还要考虑设备现场的电网容量、设备启动负荷轻重、启动频繁程度等使用条件。对于水泵类启动负载较轻的设备，可选择功能简单、价格较低、操作方便的软启动器。对于大型风机、破碎机等启动负荷比较重的设备，应该选用启动功能比较多、有限流启动功能、自身保护比较齐全的软启动器。尤其功率比较大的设备，最好选用启动功能比较全的高性能软启动器。在频繁工作的场所要按电动机的起动电流选取，因为软启动器生产厂家一般选取的可控硅电流是电动机额电流的2 5倍，限制最大电动机启动电流是额定电流的4 5 倍，在不频繁操作下充分利用可控硅短时过载能力。所以在频繁启动的条件下，应加大选取软启动器的容量，根据频繁度的不同按1 2 1 5 倍选取即可。6 结束语三相异步电动机的软起动方式很多。随着技术进步的加速，各种新的软起动控制方式也脱颖而出，比较各种软起动方式的优缺点，可从中选择出适合特定应用场合的最佳软起动方案。软起动器作为新一代的工业控制装置，以其优越的起动性能而广泛应用于冶金、化工、电力、煤炭、水利、轻工等各个行业。参考文献f 1】四川英杰电气有限公司K P,Q S 系列全数字交流电动机软起动器用户手册【s】1 7 万方数据纳米材料在环境保护领域的应用研究纳米材料在环境保护领域的应用研究作者：邓勇航作者单位：湖南省醴陵市环保局,湖南,醴陵,412200;湖南省醴陵市环保产业办,湖南,醴陵,412200刊名：广西轻工业英文刊名：GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY年，卷(期)：2008，24(2)被引用次数：0次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.Swlli E.Morris S Photocatalysis for water purification 1999(08)2.李泉.曾广斌 纳米粒子 1995(06)3.李良果.郑庆龙.张克 纳米粒子结构分析 1991(12)4.草爱苗.廖雷 蚋米技术及纳米材料在环境治理中的应用期刊论文-中山大学学报(自然科学版)2004(zk)5.杨健森 纳米环保技术的发展现状与前景期刊论文-科技通报 2002(04)6.马荣萱.李继忠 纳米技术及其材料在环境保护中的应用期刊论文-环境科学与技术 2006(07)7.胡伟武.冯传平 纳米材料和纳米技术在环境保护方面的应用期刊论文-化工新型材料 2007(03)8.戴晓峰 纳米技术在环境保护中的应用期刊论文-生物学杂志 2006(04)9.罗明良.蒲春生 纳米技术及材料在环保中的应用与展望期刊论文-化工新型材料 2001(07)10.陈仲林.张玉奇.严得忠 纳米技术在绿色照明工程中的应用前景 1997(03)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 方云.杨澄宇.陈明清.蒋惠亮 纳米技术与纳米材料()-纳米技术与纳米材料简介-日用化学工业2003,33(1)介绍了纳米、纳米结构的基本概念和涵义,阐述了纳米技术的内涵及其产生、发展和前景,并对纳米技术的诞生起着先导性作用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜的原理及应用作了简要描述.同时,对纳米科技中最为重要的研究领域-纳米材料的定义、分类和发展作了论述,并介绍了纳米材料与常规块体材料迥异的独特性能及其应用潜力,最后对如真空冷凝法、机械球磨法、气相沉积法、化学沉淀法、水热合成法、原位生成法以及溶胶-凝胶技术、模板技术及自组装技术等几种较为前沿的纳米材料的制备方法、制备原理和特点作了讨论.2.期刊论文 张莉莉.蒋惠亮.陈明清.方云.陆路德 纳米技术与纳米材料()-无机纳米材料在传统产业中的应用-日用化学工业2004,34(2)综述了无机纳米材料在化工、陶瓷、塑料、橡胶、涂料、食品、医药及化妆品等传统工业领域及军事工业领域中的应用;介绍了无机纳米材料应用于上述工业领域时所产生的力学、光学、电学与化学诸多特异性能和效应;讨论了无机纳米材料应用于传统产业后显著地改善产品的品质,提高性能或降低成本、扩大应用领域等作用;探讨了无机纳米材料在传统产业中的应用前景.纳米技术向传统产业的渗透将极大地提升传统产业的技术水平,显著地改变传统产业的面貌,从而显示出无机纳米材料广阔的应用前景和强大的生命力.3.会议论文 沈清江.秦梦华.张宝 纳米技术及纳米材料在制浆造纸中的应用研究进展 2006 近年来，纳米技术及纳米材料发展迅速，在制浆造纸工业应用越来越广泛综述了纳米技术及纳米材料在制浆造纸工业中应用的研究。4.期刊论文 陈明清.张明.蒋惠亮.方云 纳米技术与纳米材料()-纳米技术在高新科技中的应用-日用化学工业2003,33(4)简要介绍了纳米技术在高分子材料改性、色谱柱填料、催化剂载体和日用化工等领域中的应用;主要介绍了高分子纳米颗粒材料和纳米技术在生物医学等高新科技领域中的应用.纳米颗粒材料的制备技术是纳米技术的重要组成部分,研究和开发新型纳米材料以及新的应用领域已成为纳米科学研究中的一个主要发展方向.5.期刊论文 蒋惠亮.徐光年.方云.陈明清.陆路德 纳米技术与纳米材料()-无机纳米材料的制备、性能及表征-日用化学工业2004,34(1)综述了国内外无机纳米材料研究的成果与进展,对各种金属与非金属无机纳米材料的种类、具有各种特异性能和用途作了系统的介绍,并系统地阐述了无机纳米材料的各种物理或化学的制备技术,讨论了各种制备方法的特点、适用范围以及国内外在无机纳米材料制备方法研究上的进展,并介绍了目前国内常用的一些无机纳米材料的表征方法及其特点和应用.6.期刊论文 覃爱苗.廖雷 纳米技术及纳米材料在环境治理中的应用-中山大学学报(自然科学版)2004,43(z1)概述了纳米技术及纳米材料在环境治理中的应用情况,认为纳米技术及纳米材料的应用将会给环境科学带来突破性的进展,为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源的产生创造条件,表明利用纳米技术及纳米材料解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势.7.学位论文 刘启文 基于纳米技术的设计变革 2004 如同历次技术革命引起设计变革一样.纳米科学与技术将对设计产生重大影响,引发设计一系列的变革,并将形成纳米时代的设计文化.纳米材料是纳米技术研究的最基础、最重要的方面.因此,本文仅从纳米材料在设计中的运用来论述纳米技术对设计产生的影响.文章共分四部分.第一章概述纳米技术以及纳米技术对设计的意义.第二章论述纳米技术对产品设计的影响.材料设计的先进性、新颖性是引起设计变革的主要因素.功能融入材料设计中的材料设计方法将改变传统产品设计中功能论设计思想.材料设计的智能化为智能化产品的设计与生产提供了技术支持,材料设计的生态化将使设计真正体现可持续发展的设计思想.第三章主要围绕纳米材料的生态特性以及纳米产品的制造方式,论述纳米技术时代的可持续发展的设计观和纳米时代产品设计既要体现高科技特征,更应体现艺术的特征,即科学与艺术高度融合的设计观.第四章主要分析了纳米时代影响设计文化的社会因素以及纳米时代可能的设计风格.指出高技术高情感、回归自然、人性化、设计多元化将是纳米时代设计的主要形式.本文结构有一个显著的特点.即遵从设计实践到设计理论,再到设计文化的顺序,在简要介绍纳米技术以及纳米技术对人们生活方式改变的基础上,分析了纳米产品的设计发展趋势及设计特点和设计方法,纳米技术条件下的设计观以及纳米技术时代可能的设计风格.前一章为后一章的论述作准备,后一章是前一章的深入,由实践到理论,再到文化层面,逻辑上层层递进,前后连贯.本文创新点重在论述纳米技术条件下的产品设计特点、趋势、方法、设计理论与设计文化,旨在为即将到来的新一轮技术革命中产品设计进行有益的探讨,提出了纳米产品设计的发展趋势和纳米技术在可持续发展设计思想上的意义以及纳米时代产品设计的主题.8.期刊论文 杨芸.刘渝.张改莲.YANG Yun.LIU Yu.ZHANG Gailian 纳米材料与纳米技术的应用-化学教育2001,22(3)纳米材料和纳米技术在当今新材料领域中最富有活力,它们很可能成为下一世纪前20年的主导技术,纳米材料和纳米技术的应用几乎涉及现代化工业的各个领域.本文主要对纳米材料和纳米技术在各个领域的应用予以叙述.9.期刊论文 宋小杰.SONG Xiao-jie 纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用-安徽化工2008,34(4)介绍了纳米技术在涂料、混凝土材料、陶瓷和高分子材料等方面的应用情况,并展望了纳米材料和纳米技术在建材领域的应用前景.通过论述认为,纳米技术为纳米材料的广泛应用提供了可靠的技术基础和理论指导,也为研制新型建材提供了新思路.10.会议论文 张志焜 纳米材料和纳米技术的进展 2004 本文首先介绍了纳米环、纳米线、超分子建筑、微孔材料的纳米制备与纳米组装,在此基础上概述了纳米器件与纳米技术,最后论述了纳米材料和纳米技术的应用及其发展前景.本文链接：http:/