1、纳米功能材料及应用课题：纳米功能材料与环保姓名：黄永兴学号：09021039班级：材料 92书院：崇实书院学院：材料科学与工程学校：西安交通大学时间：2010 年五月- 1 -前言纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“21 世纪最有前途的材料”。纳米技术研究在 0.1100nm 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。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。关键词：纳米材料、环境保护、纳米
2、TiO2一、纳米材料及其性质纳 米 材 料 是 指 在 三 维 空 间 中 至 少 有 一 维 处 于 纳 米 尺 度 范 围 (1-100nm)或 由 它 们 作为 基 本 单 元 构 成 的 材 料 ， 这 大 约 相 当 于 10100 个 原 子 紧 密 排 列 在 一 起 的 尺 度 。 从 尺 寸 大 小 来 说 ， 通 常 产 生 物 理 化 学 性 质 显 著 变 化 的 细 小 微 粒 的 尺 寸 在 . 微 米 以下 （ 注 米 1000 毫 米 ， 毫 米 1000 微 米 ， 微 米 1000 纳 米 ， 纳 米 埃） ， 即 纳 米 以 下 。 因 此 ， 颗 粒 尺
3、 寸 在 纳 米 的 微 粒 称 为 超 微 粒 材 料 ， 也是 一 种 纳 米 材 料 。 纳 米 氧 化 铝 显 白 色 蓬 松 粉 末 状 态 ， 晶 型 是 -Al2O3。 粒 径 是 20nm； 比 表 面 积 160m2/g。 粒 度 分 布 均 匀 、 纯 度 高 、 极 好 分 散 ， 其 比 表 面 高 ， 具 有 耐 高温 的 惰 性 ， 高 活 性 ， 属 活 性 氧 化 铝 ； 多 孔 性 ； 硬 度 高 、 尺 寸 稳 定 性 好 ， 具 有 较 强 的 表 面酸 性 和 一 定 的 表 面 碱 性 ， 被 广 泛 应 用 作 催 化 剂 和 催 化 剂 载 体 等
4、 新 的 绿 色 化 学 材 料 。 可 广泛 应 用 于 各 种 塑 料 、 橡 胶 、 陶 瓷 、 耐 火 材 料 等 产 品 的 补 强 增 韧 ， 特 别 是 提 高 陶 瓷 的 致 密性 、 光 洁 度 、 冷 热 疲 劳 性 、 断 裂 韧 性 、 抗 蠕 变 性 能 和 高 分 子 材 料 产 品 的 耐 磨 性 能 尤 为 显著 。 极 好 分 散 ， 在 溶 剂 水 里 面 ； 溶 剂 乙 醇 、 丙 醇 、 丙 二 醇 、 异 丙 醇 、 乙 二 醇 单 丁 醚 、 丙酮 、 丁 酮 、 苯 、 二 甲 苯 内 ， 不 需 加 分 散 剂 ， 搅 拌 搅 拌 即 可 以 充
5、 分 的 分 散 均 匀 。 在 环 氧 树脂 ， 塑 料 等 中 ， 极 好 添 加 使 用 。主 要 性 质 ： 表 面 效 应 电 子 能 级 不 连 续 效 应 量 子 尺 寸 效 应 小 尺 寸 效 应- 2 - 量 子 隧 道 效 应 库 伦 阻 塞 效 应 介 电 限 域 效 应二、纳米技术在治理有害气体方面的应用 大气污染一直是各国政府需要解决的难题，空气中超标的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物（NOC）是影响人类健康的有害气体，纳米材料和纳米技术的应用能够最终解决产生这些气体的污染源问题。工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合
6、物在燃烧时会产生 S02 气体，这是 S02 的最大污染源。所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。纳米钛酸钴(CoTi03)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以 55-70nm 的钛酸钴半径作为催化活体多孔硅胶或 A1203 陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于 0.01，达到国际标准。工业生产中使用的煤燃烧也会产生 S02 气体，如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧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，而不产生二氧化硫气体，从而杜绝有害气体的产生。最新研究成果表明，复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化
7、还原性能，这是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。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。以活性碳作为载体、纳米 Zr0.5 Ce0.5 O2，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+Cr3+，电子可以在其三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性，再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。而更新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生 CO 和 NOx，无
8、需进行尾气净化处理。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 Fe2O3作为催化剂，- 3 -经纳米材料催化的燃料中硫的含量小于 0.01%，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。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
9、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。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 TiO2的降解效果最佳。纳米 TiO2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 TiO2的光
10、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 5。在医院的病房、手术室及生活空间安放纳米 TiO2光催化剂可具有杀菌、除臭作用。三、纳米技术在污水处理方面的应用污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的
11、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1020 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、纤维和活性炭的净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后，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，可以将水中的细菌、病毒 100去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳- 4 -米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。该技术在医学领域血透中已开始应用，有“体
12、外肾脏”之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。 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。如纳米 TiO2 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。2 处理有机污染废水大量研究表明纳米 TiO2 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 TiO2 能处理 80 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 CO 等无害物质图。例如 Pintar
13、等在间歇式反应器中纳米Ru/TiO2 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TOC 的去除率可达到 99.6%，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 自来水的净化处理新型纳米级净水剂 7的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂 Al2O3 的 1020 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 100%除去水中的细菌、病毒，得
14、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。四、在其它环保领域的应用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 8。- 5 -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：一是可以将橡胶制品
15、、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 TiO2 催化技术可以使城市垃圾快速降解，其速度可达到大颗粒 TiO2 的 10 倍以上，从而缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力。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。5 在照明工程方面的应用火力发电排放的 CO2、SO 2、烟尘悬浮物等会引起温室效应、酸雨和环
16、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。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。五、纳米 TiO2 与环境保护由于纳米 TiO2 除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。 1降解空气中的有害有机物：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，新装修的房间内空气中有机物浓度高于室外，甚至高于工业区。目前已从空气中鉴定出几百种有机物质，其中有许多物
17、质对人体有害，有些是致癌物。对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米 TiO2 的降解效率最好，将近达到 100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米 TiO2 的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。 2它可以降解有机磷农物：这种 70 年代发展起来的农药品种占我国农药产量的 80，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米 TiO2 来催化- 6 -降解可以得到根本解决。 3用纳米 TiO2 催化降解技术来处理毛纺染整废水：具有省资、高效、节能，最终能使有机物完
18、全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。 4石油开采运输：在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米 TiO2 可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。 5垃圾降解：用纳米 TiO2 可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2 的 10 倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。 6除臭：一般常用的杀菌剂 Ag、Cu 等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。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
19、院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米 TiO2 光催化剂还具有除臭作用。 7自洁效应纳：米 TiO2 由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此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。实验表明，镀有纳米 TiO2薄膜的表面与未镀 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
20、，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，从而使其表面具有长期的自洁去污效应。这一特性的开发利用将改变人们对涂层功能的认识，从而给涂层材料带来-次新的革命。今后将广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等。由于纳米 TiO2 光催化剂具有良好的化学稳定性、抗磨损性能好、成本低、制备的薄膜透明等优点，已成为目前最引人注目的环境净化材料，更重要的是能直接利用太阳光、太阳能、普通光源来净化环境。 - 7 -六、纳米材料在环境产业的发展趋势：环境产业; 纳米技术对空气 20 纳米以及水的 200 纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米
21、技术。现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气的大于 10ppm 的有害气体降低到 0.1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功能源环保：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化
22、剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当自循环，使硫化物减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。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。诸如大气污染、污水处理、城市垃圾等将会得到解决。我们将充分享受纳米技术给人类带来的洁净环境。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。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是 21 世纪的又一次产业革命。 ”Thank you！
