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摘要:随着科学技术的不断发展,纳米材料被广泛的应用在环境保护及治理上，它直接影响着人们的工作和生活。本文从环境保护中使用纳米材料的必然性、纳米材料在环境保护方面的应用、纳米材料在环境治理方面的应用等几个方面进行了分析。
关键词:纳米材料；环境保护；环境治理；应用
中图分类号： B82 文献标识码： A
一、前言
近年来，现代几乎各种技术的发展都涉及到了纳米材料，可以说纳米材料已经广泛应用到许多领域。尤其是在环境保护和环境治理方面中取得了飞速的发展，在科学技术突飞猛进的新时期，加强纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用，对我国环境保护和环境治理工程有着重要意义。
二、纳米材料在环境保护方面的应用
1、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(NxOy)是造成环境污染影响人类健康的有害气体,纳米材料和纳米技术的应用为解决这些气体的污染源问题提供了新的解决方法和思路。
（1）用作石油脱硫催化剂
工业用及车用燃料油是最大的SO2污染源,燃料油中的含硫化合物在燃烧后会产生SO2,所以石油炼制工业有一道脱硫工艺以降低汽柴油的硫含量。纳米钛酸钴(CoTiO3)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以半径为55~70nm的钛酸钴合成的催化活体多孔硅胶或以Al2O3陶瓷作为载体的催化剂,其催化效率极高。经催化的油品中硫的含量小于0.01%,达到国际标准[1]。
（2）用作汽车尾气净化催化剂
复合稀土化合物的纳米级粉体是一种新型汽车尾气净化催化剂。它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NxOy的污染问题。以活性炭作为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂,由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+,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,在氧化CO的同时还原NxOy,使它们转化为对人体和环境无害的CO2和N2。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NxOy,无需进行尾气净化处理。
（3）用作纳米燃油添加剂
纳米技术为燃油添加剂市场开辟了新的机遇。纳米燃油添加剂可以大幅增加动力,降低燃油消耗,提高发动机性能并延长其寿命,减少尾气中有害物质的排放,保护环境[2]。采用創新的纳米微乳化技术生产的新一代多用途燃油添加剂,可以全面解决辛烷值强化剂、清净剂和节油添加剂所要解决的问题,还可以整体改善发动机的性能,是一种全新概念的具有综合性能的第四代环保型燃油添加剂。
（4）作煤炭用助燃催化剂
工业用煤燃烧后也会产生SO2和CO气体,加入纳米级助燃催化剂则不仅可使煤充分燃烧,不产生CO气体,提高能源利用率,而且会使硫转化为固体硫化物,而不产生SO2气体,从而消除有害气体的产生。
2、纳米技术在污水处理方面的应用
（1）用于有机物废水处理
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;而化学、生化等处理技术虽是破坏性的,但除净度低,废水中的有机物含量仍远高于国家废水排放标准。与上述方法相比,纳米TiO2光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势,无污染,除净度高。据报道,日本石产业公司与一家大型工厂率先开发利用TiO2的光催化作用建立了一个新型的废水处理系统,用于降低废水中的COD和BOD。中科院一研究所采用纳米TiO2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的实验获得成功。在多云和阴天的条件下,光照12h,浓度为0.5mmol/L的苯酚已降解为零,浓度为1mmol/L的十二烷基苯磺酸钠也基本降解。研究表明,这是一项极有前途的实用性水处理技术。利用纳米TiO2可以降解有机磷农药。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。这一环保难题可以使用纳米TiO2进行催化降解从而得到根本解决。国内浙江农业大学等单位利用TiO2的光催化活性降解久效磷农药废水。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,最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点,显示出良好的应用前景[3]。
（2）用作纳米净水剂
一种新型的纳米级净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。它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,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。
三、纳米材料在环境治理方面的应用
1、噪声的控制及防止电磁辐射
经检测,飞机、车辆、船舶等主机工作时的噪声容易对人体造成干扰和危害。当机器设备等被纳米技术微型化以后,其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力大为减少,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,又能延长它的使用寿命。
2、作自清洁涂料
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。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薄膜的表面显示出高度的自清洁效应,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。这一技术将广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等。
3、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,主要表现在两个方面:一方面是可以将橡胶制品、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;另一方面,利用纳米TiO2催化技术可以使城市垃圾快速降解,其速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可以缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力[4]。
4、用作光催化消毒剂
纳米TiO2应用的一个重要方面就是光催化杀菌。一般的杀菌剂(如银、铜等)虽能使细胞失去活性,但细菌杀死后,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。而TiO2光催化剂不仅能消减细菌的生命力,而且能攻击细菌和外层细胞,穿透细胞膜,破坏细菌的细胞膜结构,从而彻底地杀灭细菌。病房手术室的试验结果表明,安放TiO2光催化剂后,空气中浮游细菌数可降低90%左右。利用TiO2光催化剂的杀菌效果也可达到净化空气的目的。如厕所内臭气产生的主要原因是由于细菌分解尿素产生的氨气,如在陶瓷洁具表面附着一层TiO2光催化剂,可使尿素的分解受到抑制,氨气浓度大幅度降低。
四、结束语
通过对纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用问题分析，进一步明确了纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用前景。因此，在环境保护和环境治理工作领域的后续发展中，要不断提高纳米材料在促进环境保护和环境治理方面的发展。
参考文献
[1]王永华,杨博.浅谈纳米材料的抗菌实验方法.材料开发与应用,2001.
[2]张治海,纳米技术与环境保护.齐鲁石油化工,2001.
[3]喻德忠，蔡汝秀.纳米技术在处理环境中无机污染物的研究现状.分析科学学报,2003.
[4]王光辉.纳米TiO2光催化技术及其在环境污染治理中的应用.环境科学与技术 2001.
关键词:纳米材料；环境保护；环境治理；应用
中图分类号： B82 文献标识码： A
一、前言
近年来，现代几乎各种技术的发展都涉及到了纳米材料，可以说纳米材料已经广泛应用到许多领域。尤其是在环境保护和环境治理方面中取得了飞速的发展，在科学技术突飞猛进的新时期，加强纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用，对我国环境保护和环境治理工程有着重要意义。
二、纳米材料在环境保护方面的应用
1、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(NxOy)是造成环境污染影响人类健康的有害气体,纳米材料和纳米技术的应用为解决这些气体的污染源问题提供了新的解决方法和思路。
（1）用作石油脱硫催化剂
工业用及车用燃料油是最大的SO2污染源,燃料油中的含硫化合物在燃烧后会产生SO2,所以石油炼制工业有一道脱硫工艺以降低汽柴油的硫含量。纳米钛酸钴(CoTiO3)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以半径为55~70nm的钛酸钴合成的催化活体多孔硅胶或以Al2O3陶瓷作为载体的催化剂,其催化效率极高。经催化的油品中硫的含量小于0.01%,达到国际标准[1]。
（2）用作汽车尾气净化催化剂
复合稀土化合物的纳米级粉体是一种新型汽车尾气净化催化剂。它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NxOy的污染问题。以活性炭作为载体、纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂,由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+,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,在氧化CO的同时还原NxOy,使它们转化为对人体和环境无害的CO2和N2。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NxOy,无需进行尾气净化处理。
（3）用作纳米燃油添加剂
纳米技术为燃油添加剂市场开辟了新的机遇。纳米燃油添加剂可以大幅增加动力,降低燃油消耗,提高发动机性能并延长其寿命,减少尾气中有害物质的排放,保护环境[2]。采用創新的纳米微乳化技术生产的新一代多用途燃油添加剂,可以全面解决辛烷值强化剂、清净剂和节油添加剂所要解决的问题,还可以整体改善发动机的性能,是一种全新概念的具有综合性能的第四代环保型燃油添加剂。
（4）作煤炭用助燃催化剂
工业用煤燃烧后也会产生SO2和CO气体,加入纳米级助燃催化剂则不仅可使煤充分燃烧,不产生CO气体,提高能源利用率,而且会使硫转化为固体硫化物,而不产生SO2气体,从而消除有害气体的产生。
2、纳米技术在污水处理方面的应用
（1）用于有机物废水处理
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;而化学、生化等处理技术虽是破坏性的,但除净度低,废水中的有机物含量仍远高于国家废水排放标准。与上述方法相比,纳米TiO2光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势,无污染,除净度高。据报道,日本石产业公司与一家大型工厂率先开发利用TiO2的光催化作用建立了一个新型的废水处理系统,用于降低废水中的COD和BOD。中科院一研究所采用纳米TiO2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的实验获得成功。在多云和阴天的条件下,光照12h,浓度为0.5mmol/L的苯酚已降解为零,浓度为1mmol/L的十二烷基苯磺酸钠也基本降解。研究表明,这是一项极有前途的实用性水处理技术。利用纳米TiO2可以降解有机磷农药。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。这一环保难题可以使用纳米TiO2进行催化降解从而得到根本解决。国内浙江农业大学等单位利用TiO2的光催化活性降解久效磷农药废水。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,最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点,显示出良好的应用前景[3]。
（2）用作纳米净水剂
一种新型的纳米级净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。它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,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。
三、纳米材料在环境治理方面的应用
1、噪声的控制及防止电磁辐射
经检测,飞机、车辆、船舶等主机工作时的噪声容易对人体造成干扰和危害。当机器设备等被纳米技术微型化以后,其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力大为减少,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,又能延长它的使用寿命。
2、作自清洁涂料
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。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薄膜的表面显示出高度的自清洁效应,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。这一技术将广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等。
3、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,主要表现在两个方面:一方面是可以将橡胶制品、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;另一方面,利用纳米TiO2催化技术可以使城市垃圾快速降解,其速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可以缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力[4]。
4、用作光催化消毒剂
纳米TiO2应用的一个重要方面就是光催化杀菌。一般的杀菌剂(如银、铜等)虽能使细胞失去活性,但细菌杀死后,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。而TiO2光催化剂不仅能消减细菌的生命力,而且能攻击细菌和外层细胞,穿透细胞膜,破坏细菌的细胞膜结构,从而彻底地杀灭细菌。病房手术室的试验结果表明,安放TiO2光催化剂后,空气中浮游细菌数可降低90%左右。利用TiO2光催化剂的杀菌效果也可达到净化空气的目的。如厕所内臭气产生的主要原因是由于细菌分解尿素产生的氨气,如在陶瓷洁具表面附着一层TiO2光催化剂,可使尿素的分解受到抑制,氨气浓度大幅度降低。
四、结束语
通过对纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用问题分析，进一步明确了纳米材料在环境保护和环境治理方面的应用前景。因此，在环境保护和环境治理工作领域的后续发展中，要不断提高纳米材料在促进环境保护和环境治理方面的发展。
参考文献
[1]王永华,杨博.浅谈纳米材料的抗菌实验方法.材料开发与应用,2001.
[2]张治海,纳米技术与环境保护.齐鲁石油化工,2001.
[3]喻德忠，蔡汝秀.纳米技术在处理环境中无机污染物的研究现状.分析科学学报,2003.
[4]王光辉.纳米TiO2光催化技术及其在环境污染治理中的应用.环境科学与技术 2001.