国家城市给水排水工程技术研究中心.doc
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1、国家城市给水排水工程技术研究中心 张悦 姚念民 摘要:纳米技术是一种具有深刻理论研究价值和广泛应用前景的高新技术,被誉为本世纪最具应用开发前途的产业技术之一。广义地讲,几乎每一项纳米技术的应用,都会对我们现有的生存环境直接或间接地产生影响。本文对近几年国内外纳米科技的成果情况及发展动态进行了综述,特别是对于纳米技术在环境领域的应用以及其潜在突破作了较为深入的分析。关键词:纳米技术 纳米材料 环境保护1 关于纳米技术目前,各个国家和不同行业对纳米技术的定义解释略有不同。但科学上已经达成共识,纳米技术是指在纳米(1nm-100nm)尺度范围内,研究电子、原子、分子和分子内在规律和特征,并用于制造各
2、种物质的一门崭新的综合性科学技术。纳米技术包括纳米结构和纳米材料两部分。纳米结构指的是在纳米尺度上构架功能性结构,比如单电子开关、纳米元器件等;纳米材料指的是构成材料的结构单元的尺度是纳米尺度,并且用到的材料性质是这个尺度上物质特有的非常规性质。纳米尺度的物质颗粒比宏观尺度(微米)小,比微观尺度(0.1纳米)大,此时量子效应开始影响到物质的性能和结构。由纳米结构单元构成的纳米材料,在机械性能、磁、光、电、热等方面与普通材料有很大不同,具有辐射、吸收、催化、吸附以及二元协同性等新特性。人们普遍认为,纳米技术在今后10-50年内将改变几乎每一件人造物体的特性,材料性能的重大改善和制造模式的改变也将
3、引发一场工业革命。不难设想,纳米技术在未来的绿色革命中将大显身手,给环境保护带来革命性变化。2 纳米元材料在能源方面的研究利用谈环境往往离不开谈能源,使用能源的种类以及使用能源的方式决定着对环境的影响是积极的还是消极的。1、节能方面:纳米技术是从原子和分子开始制造材料和产品的技术。这种从小到大的制造方式需要的材料较少,造成污染程度低。在我国已有微马达、微传感器等纳米微机电系统元件问世。由于纳米技术导致产品微型化,使所需资源减少,不仅可以达到“低消耗、高效益”的可持续发展目的,而且成本低廉。可以预测,未来资源浪费、造价昂贵的大型机械设备会逐步淘汰,以实现资源消耗的“零增长”。 2、储能方面:物理
4、和化学方法储氢,需昂贵的设备。而碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。这种材料如果用于燃料电池汽车中的储氢材料,可以有效避免空气污染或排放温室气体。人们很早就知道,某些固体材料(如金属氢化物等)在室温条件下可以储存少量的氢(约为自重的1%-2%)。有些金属氢化物可储存更多的氢(为其自重的5%-7%),但所需的储氢温度极高,为250甚至更高。然而,碳纳米管和纳米纤维即使在室温下也能很好的吸收氢,每个颗粒都是一个微小的吸氢“海绵”。这种材料就有广阔的应用前景,可用来制造燃料电池汽车中的氢容器。添加燃料时只需将汽车驶入加油站,将空的氢容器注满氢即可。美国再生能源实验室的赫宾是该领域的带头人,他
5、认为主要与碳纳米材料的表面结构有关。麻省理工学院的德雷斯尔豪斯及其同事所从事的研究支持这一观点,并将其成果发表在近期的科学上。美国能源部的计算结果表明,碳材料只要储存其自重6.5%的氢,就可使燃料电池汽车具有实用价值(设定两个加油站间的距离是500公里,即310英里)。我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性,力争使碳纳米管材料和器件实用化。3、能源转换方面:由于存在介观物质的小尺寸效应,当金属被细分到小于光波波长的尺寸时,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常低于1%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这一特殊的光学性质,可以制造高效率的光热、光电转换材料,以很高的效率转变
6、为热能或电能。从某种意义上说,纳米技术的出现极有可能改变能源消费与环境保护之间长期存在的矛盾。3 纳米技术在对水、空气的处理方面的应用1、纳米材料吸附能力的开发利用纳米材料的基本构成决定了它超强(10倍以上)的吸附能力。我们知道,污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、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偏低、成本高等问题,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。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
7、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凝聚并沉淀下来,然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置,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。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,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。 2、纳米材料催化能力的利用研究表明,纳米技术还可以制成非常好的催化剂
8、,纳米材料催化剂具有独特的晶体结构及表面特性(表面键态与内部不同,表面原子配位不全等),因而,其催化活性和选择性都大大优于常规催化剂,甚至使原业不能进行的反应也能完全进行。目前的研究表明,纳米催化材料对催化氧化、还原、裂解反应都具有很高的活性和选择性;对光解水制氢及一些有机合成反应也具有明显的光催化活性。纳米级的TiO2由于表面具有大量的悬键,这些悬键可在能隙中形成缺陷能级,使纳米TiO2表面具有很高的活性。这对纳米TiO2的光学性质有很大影响。当波长小于387.5nm的光子照射TiO2的表面后,处于价带的电子就会被激发到导带上去,从而分别在价带和导带上产生高活性的光生空穴(h+)和光生电子(
9、e-)。在不同条件下,h+和e-发生分离,迁移到粒子表面的不同位置,经一系列的反应生成含氧小分子活性物种(O:、OH:、HO2:等)。纳米TiO2所具有的光催化氧化活性,在降解体和空气中的有机污染物时表现出明显效果,有机物和细菌可被其分解氧化为CO2和H2O。经研究发现,纳米TiO2对于水中的卤代脂肪烃、染料、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环芳烃、烃类、酚类、表面活性剂、农药等都能有效的进行光催化反应,达到除毒、脱色、矿化,最终分解为CO2和H2O,从而消除有机物对环境的污染。东京大学工学部的腾岛昭教授等证明,纳米TiO2对绿脓杆菌、大肠杆金黄色葡萄球菌等有很强杀菌力,可用于医院手术台和墙壁
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