纳米技术在环境保护中的应用
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文章编号:1008-9632(2006)04-0061-02
收稿日期:2005-08-22纳米技术在环境保护中的应用
戴晓峰
(安徽省环境监测中心站,合肥 230061)
纳米技术是在0.10~100纳米尺度的空间内,研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新技术。
纳米技术已经与当代科技的三大支柱 基础科学、生物医学、信息技术相提并论。
它诞生十多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目,特别是在环境保护和环境治理方面的应用,已经呈现出欣欣向荣的前景。
1 节能
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!。
例如国家节能高科技成果,国家863计划!项目,由哈尔滨久天蓄能发光科技有限公司负责开发的纳米节能灯与现在使用的节能灯相比,节能提高了30%,使用寿命为3~5万小时,其亮度是现在节能灯的5~10倍,将有效节省电力资源。
2 储能
将氢气作为动力能源成本低且效率高,在能源日益显现不足和燃油汽车造成人类生存环境极大污染的今天,以氢燃料作为汽车燃料的呼声日益高涨。
从20世纪90年代起,许多发达国家都制定了系统的氢能研究计划,其短期目标是氢燃料电池汽车的商业化。
现在利用氢能的障碍是氢气的规模化存储和运输。
碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙,成为最有潜力的储氢材料,并是当前研究的热点。
碳纳米管储氢的优越性将使碳纳米管燃料电池成为最具发展潜力的新型汽车动力源。
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!。
美国国立可再生能源实验室采用TPDS(程序控温脱附仪)测量单壁纳米碳管(S W NT)的载氢量,从实验结果推测在130K、4# 104Pa条件下的载氢量为5w t%~10w t%,并认为S W NT是唯一可用于氢燃料电池汽车的储氢材料。
这是世界上关于碳纳米管储氢的第一篇报道。
后来他们又用强超声波处理SWNT并使纳米管在室温、50kPa条件下吸氢,测得6.5w t%的储氢量。
将这种材料用于制造燃料电池汽车中的氢容器中,将具有十分广阔的应用前景。
3 污水处理
污水中通常含有害物质、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。
由于纳米材料所具有的表面效应,使纳米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面积,所以纳米材料在制备高性能吸附方面表现出巨大的潜力。
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。
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
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径的陶瓷小球组装的处理装置后,可以将水中的细菌、病毒几乎全部去除,得到高质量的纯净水。
此外,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。
采用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。
4 处理空气污染
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,由于含有硫的化合物在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是空气重要的污染源。
所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。
采用半径为55~70nm的钛酸钴(CoT i O3)作为催化活体,以多孔硅胶或A l2O3,陶瓷作为载体的催化剂进行脱硫,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。
工业用煤燃烧后也会产生大量的二氧化硫气体,在燃料燃烧时,加入一种纳米级助燃催化剂,不仅可以使煤充分燃烧,提高能源利用率,而且会使硫转化成固体的硫化物,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,复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能,这是其它任何汽车尾气净化催化剂都不能比拟的。
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(NO x)的污染问题。
以活性炭作为载体,纳米Zr0.5C e0.5O2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C e4+/C e3+电子可以在其3价和4价之间传递,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积大,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。
科学工作者研制的更新一代的纳米催化剂,将在汽车发动机汽缸发挥催化作用,使汽油在燃烧时就不产生CO和NO x,从而无需进行尾气净化处理。
5 噪声控制
经检测,飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达到上百分贝,容易对环境造成噪声污染。
但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,得以大大降低机器设备运转时的噪声,又能延长它的使用寿命。
6 固体废弃物处理
纳米技术及材料应用于固体废弃物处理,其优越性主要体现在以下两个方面:首先,纳米级处理剂降解固体废弃物的速度快。
例如,纳米二氧化钛(T i O
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)降解固体废弃物的速度为常规二氧化钛(T i O2)的10倍。
其次,利用纳米技术可以将橡胶塑料制品、废旧印刷电路板制成超细粉末,除去其中的杂质,将其作为再生原料回收。
目前日本已将废橡胶轮胎制成粉末用于铺设运动场、道路以及新干线的路基等。
因此,纳米技术可在很大程度上缓解固体废弃物给环境带来的巨大的压力也可以减轻填埋等传统方式所带来的二次污染。
7 防止电磁辐射
近年来有关电磁场对人体健康的影响问题己众所周知,但在不久的将来我们再也不用为防电磁辐射而担忧。
若在强烈辐射区工作需要电磁屏蔽时,可以在墙中加入纳米材料层,或者涂上纳米涂料,能大大提高遮挡电磁波辐射性能。
纳米二氧化钛T i O2具有很强的散射和吸收紫外线的能力,尤其是对人体有害的中长波紫外线UVA、UVB(320~400n m,290~320nm)的吸收能力很强,效果比有机紫外吸收剂强得多,并且可透过可见光,因其无毒无味、无刺激性而广泛用于化妆品。
将纳米二氧化钛T i O2应用于涂料中可制成特殊的防紫外线产品,如汽车、轮船面漆的防老化剂,防紫外线伞等。
8 监测环境污染
氮氧化物(NO x)和二氧化碳(CO2)是导致全球变暖的罪魁祸首,因此其在大气中的含量必须适时监测。
现有监测技术成本高,不便移动作业,所需温度条件高。
2003年美国纽约Rensselaer理工学院的研究人员开发出一种新型微型传感器,它利用密集的碳纳米管阵列来根据气体的特征击穿电压和电流检测它们。
这种传感器可检测NH3、CO2、N2、O2、H e、空气和气体混合物。
由于这种传感器结构简单,成本较低,因此以这种技术为基础研制用电池驱动的便携式气体监控装置将会成为现实。
总之,随着纳米材料和纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展,特别是纳米技术与环境保护和环境治理进一步有机结合,许多环保难题将会得到解决。
我们将充分享受纳米技术给人类带来的洁净环境。
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