纳米材料在环境保护中的应用.pdf
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1、第 5 期 2 0 0 8年 1 0月 纳米科技 Na no s c i e nc e&Na no t e c h no l o g y No 5 Oc t o b e r 20 08 纳米材料在环境保护中的应用 朱光威,许 国根(西安第二炮兵工程学院 5 0 3室,陕西 西安 7 1 0 0 2 5)摘要:介绍 了纳米材料的吸附和光催化作 用,综述 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,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;吸附;催化 降解 Ap pl i c a t i o n o f Na no-m a t e r
2、 i a l i n Env i r o nme n t Pr o t e c t i o n ZHU Gua n g-we i,XU Gu o g e n (C o l l e g e o f t h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g o f P L A,X i a n 7 1 0 0 2 5,C h i n a)Ab s t r a c t:T h e a d s o r p t i o n a n d r a y c a t a l y z e p e r f o r ma n c e o f n a n o ma
3、 t e ri a l i s b r i e fl y i n t r o d u c e d T h e a p p l i c a t i o n o f n a n o ma t e r i a l i n w a s t e w a t e r d i s p o s a l,a i r p o l l u t i o n,s o l i d r u b b i s h d i s p o s a l a n d e n v i r o n me n t mo n i t o rin g i s s t a t e d T h e d e v e l o p me n t i n a
4、 p p l i c a t i o n i n e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n i s a l s o p r o p o s e d Ke y wo r d s:n a n o ma t e ria l;e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n;a d s o rpt i o n;c a t a l y z e a n d d e c o mp o u n d 、中图分类号:T Q1 7 4 1+4 文献标识码:A 文章编号:1 8 1 2 1 9 1 8(2 0 0 8)0 5 0 0 1 9 0
5、4 0 引言 纳米技 术是 2 0世 纪 8 0年代 迅速 发展起 来 的一门交叉性综合学科,包括纳米材料和纳米结 构两部分。纳米材料是 指平均粒径 在纳米量 级(1 1 0 0 n m)范围内的 固体材料的总称。纳米材料 又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒 子的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应影 响 物质 的结构和性质。人们发现,当物质被粉碎 到 纳米微粒时,所得的纳米材料不仅光、电、磁特性 发生变化,而且具有辐射、吸收、催化、杀菌、吸附 等许多新 的特性。发展纳米技术 已成为世界性 的 重大科学技术活动O 1 纳米材料的吸附和光催化作用 吸附是气体吸附质在固体吸附剂表面发生的 收
6、稿 日期:2 0 0 8 0 6 0 2 行为,其发生的过程与吸附剂固体表面特征密切 相关。对于纳米粒子的吸附机理,目前普遍认为,纳米粒子的吸附作用主要是 由于纳米粒子的表面 羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些 阳离子键合,从而达到表观上对金属离子或有机 物产生吸附作用。另外,纳米离子具有大的比表面 积,也是纳米粒子吸附作用的重要原 因【I J。一种 良 好 的吸附剂,必须满足 比表面积大,内部具有 网络 结构的微孔通道,吸附容量大等条件,而颗粒的 比 表面积与颗粒的直径成反 比。粒子直径减小到纳 米级,会引起比表面积的迅速增加,例如,纳米氧 化锡粒径为 1 0 n m时比表面积为 9
7、 0 3 m 2 g,5 n rn时 比表面积增加到 1 8 1 m 2 g,而当粒径小于 2 n m时,比表面积猛增到 4 5 0 m Z g 2 1。由于纳米粒子具有高 的比表面积,使它具有优越的吸附性能,在制备高 性能吸附剂方面表现出巨大的潜力,提供了在环 境治理方面应用的可能性。目前利用光催化作用的主要是 T i O 。普通的 1 9 第 5卷第 5期 2 0 0 8 年 l 0月 纳米材料与应用 Na n o ma t e r i a l&Ap p l i c a t i o n Vo l _ 5 N o 5 Oc t o b e r 2 0 0 8 T iO:的光催化能力较弱,但纳
8、米级锐钛型 T i O。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。T i O 颗粒粒径从 3 O n to减小到 1 O n to 时,其光催化降解苯酚的活性上升了 4 5。T i O: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: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;反 应速度快,在几分钟到数小时有机物的降解即告 完成;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;消除二次污染,把有机物彻底降解成 C O。和 H2 0。所 以,T i O 等半 导体纳米微粒 的光催化反应 在废水处理和环境保
9、护方面大有用武之地。2 废水处理 2 1 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 到有效的治理,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,而解 决二次污染,使吸附剂、混凝剂再生是难题;生 化处理法虽可很好地除去污水 中的有机物和营养 物质,但若污水中含大量重金属,则生化法不再适 用,因重金属可使生化系统中毒。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f 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 T i O 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
10、面的有机物分解。用 纳米 T i O 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。采用纳米 T i O:粉末,利用太阳光进行光催化 降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液,结 果在多云和阴天的条件下,光照 1 2 h,苯酚的浓度 从 0 0 5 m m o l L下降到零,浓度为 1 m m o l L的十二 烷基苯磺酸钠也基本上被降解掉,说明这一技术 的可操作性和实用性。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 T i O:对甲基橙光催化降 2 0 解脱色,结果反应仅 1 0 m i n,
11、脱色率就达到 9 7 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 一 3 B的氧化脱色等都取得了良好 的效果。用浸涂法制备 的纳 米 T i O:或者用空心玻 璃 球负载 T i O 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 8 0 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 等有效地进行光催化反应,除毒、脱色、矿化,分解 为 C O:和 H O
12、,最终消除对环境的污染。2 2 无机污染物的处理 环境 中的无机污染物主要分 为两种类 型:有毒金属离子,如 C r 6+,H g ,P b ,C u ,A g 等;有毒阴离子,如 C N 一,S C N 一,I 一,F 一 等。近年来,国内 外有很多学者发现碳纳米管可吸附去除水体中重 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。l Ji 等人 3 1 发现经过硝酸处 理过的碳纳米管对 P h 的吸附量大幅提高。当液 相平衡浓度为 2 7 mg L时,碳纳米管对铅 的吸附 量可达 1 5 6 m g g,主要是 由于酸化在碳纳米
13、管表 面引入 了一 O H、一 C=O、一 C O O H等官能团,从而增 强 了碳纳米管与 P b 之间的相互作用力。同时作 者也考察了溶液酸度对吸附量的影响。当溶液酸 度过高或者过低都会导致碳纳米管对铅的吸附量 减少,所以,通过调节溶液 的酸度,就可以控制 P h 在碳纳米管上的吸附量,从而实现 C N T吸附 剂的再生。文献【4 作者讨论了温度对 P h 在 C N T 上吸附的影响。随着温度的升高,碳纳米管吸附 P I】的效果提高,说明此吸附过程吸热。在文献【5 中,更进一步探讨了 H:O ,K M n O 和 H N O,三种不 同的酸化处理方式对碳纳米管吸附重金属镉的影 响。试验结
14、果显示,尽管j种氧化方式在碳纳米管 表面带来 的酸性官能 团按数量多少顺序为 H O K M n O H N O 3,但是,K M n O 处理过的碳纳米管的 第 5 期 2 0 0 8年 1 0月 纳米科技 Na n o s c i e nc e&Na n 0 t e c h n0 l 0 g y No 5 Oc t o b e r 2 008 吸附能力却最强,其次是硝酸处理过的,这可能是 由于 K Mn O 在氧化 过程 中沉积 了一部分过 渡金 属氧化物 M n O 在碳纳米管表面,但是,M n O:在吸 附过程中的作用和行为还有待进一步研究。碳纳 米管表面稀有金属氧化物对重金属吸附的影
15、响,可由国内学者 D i 通过在定 向碳纳米管表面负载 金属氧化物 C e O:来吸附水体中铬的试验得到证 实嘲。作者认为,C e O:通过增强碳纳米管表面的电 学性能,提高了碳纳米管对重金属等污染物质的 吸附能力。马万红等人 7 _利用流动注射微柱富集在 线分析方法对 C r 6 离子在纳米 T i O 表面上 的吸附 动力学特性进行 了原位表征,研究结果表 明,纳米 T i O 对 c r 6+有强烈的吸附作用。当p H改变时,纳 米 T i O:吸附的 C r 6+可被 2 mo l L H C I 完全洗脱。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 A 1
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- 纳米 材料 环境保护 中的 应用
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