納米材料與技術在環保中的應用

   隨著納米材料和納米技術在環保方面的應用更深入的研究，將會給我國乃至全世界在治理環境污染方面帶來新的機會。 
       納米技術在治理有害氣體方面的應用 
       大氣污染一直是各國政府需要解決的難題，空氣中超標的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物（NOC）是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術的應用能夠最終解決產生這些氣體的污染源問題。工業生產中使用的汽油、柴油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃燒時會產生S02氣體，這是S02的最大污染源。所以石油提煉工業中有一道脫硫工藝以降低其硫的含量。納米鈦酸鈷(CoTi03)是一種非常好的石油脫硫催化劑。以55-70nm的鈦酸鈷半徑作為催化活體多孔硅膠或 A1203陶瓷作為載體的催化劑，其催化效率極高。經它催化的石油中硫的含量小于0.01％，達到國際標準。工業生產中使用的煤燃燒也會產生S02氣體，如果在燃燒的同時加入一種納米級助燒催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產生一氧化硫氣體，提高能源利用率，而且會使硫轉化成固體的硫化物，而不產生二氧化硫氣體，從而杜絕有害氣體的產生。最新研究成果表明，復合稀土化物的納米級粉體有極強的氧化還原性能，這是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染問題。以活性碳作為載體、納米 Zr0.5 Ce0.5 O2，粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其表面存在Zr4+／Zr3+及Ce4+／Cr3+，電子可以在其三價和四價離子之間傳遞，因此具有極強的電子得失能力和氧化還原性，再加上納米材料比表面大、空間懸鍵多、吸附能力強，因此它在氧化一氧化碳的同時還原氮氧化物，使它們轉化為對人體和環境無害的氣體--二氧化碳和氮氣。而更新一代的納米催化劑，將在汽車發動機汽缸里發揮催化作用，使汽油在燃燒時就不產生CO和NOx，無需進行尾氣凈化處理。 
       納米技術在污水處理方面的應用 
       污水中通常含有有毒有害物質、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細菌病毒等。污水治理就是將這些物質從水中去除。由于傳統的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術的發展和應用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質。它從污水中流失，也是資源的浪費。新的一種納米技術可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10~20倍。因此它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質、纖維和活性炭的凈化裝置，能有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等污染物。經前二道凈化工序后，水體清澈，沒有異味，口感也較好。再經過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以將水中的細菌、病毒100％去除，得到高質量的純凈水，完全可以飲用。這是因為細菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時，就會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質、元素則保留下來。該技術在醫學領域血透中已開始應用，有“體外腎臟”之稱。肝、腎功能衰竭者飲用這種水后，會大大減輕肝、腎臟的負擔。 
       納米TiO2與環境保護 
       由于納米TiO2除了具有納米材料的特點外，還具有光催化性能，使得它在環境污染治理方面將扮演極其重要的角色。 
       1．降解空氣中的有害有機物。近年來，隨著室內裝潢涂料油漆用量的增加，室內空氣污染越來越受到人們的重視。調查表明，新裝修的房間內空氣中有機物濃度高于室外，甚至高于工業區。目前已從空氣中鑒定出幾百種有機物質，其中有許多物質對人體有害，有些是致癌物。對室內主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結果表明，光催化劑可以很好地降解這些物質，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達到100％。其降解機理是在光照條件下將這些有害物質轉化為二氧化碳、水和有機酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產業的工業廢氣處理，改善廠區周圍空氣質量。 
       2．它可以降解有機磷農物。這種70年代發展起來的農藥品種占我國農藥產量的80％，它的生產和使用會造成大量有毒廢水。這一環保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。 
       3．用納米TiO2催化降解技術來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點，顯示出良好的應用前景。 
       4．在石油開采運輸和使用過程中，有相當數量的石油類物質廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。 
       5．用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環境帶來的壓力。 
       6．一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細胞失去活性，但細菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內毒素。內毒素是致命物質，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環境中的細菌，而且能同時降解由細菌釋放出的有毒復合物。在醫院的病房、手術室及生活空間細菌密集場所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。 
       7．納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點。如將TiO2玻璃鍍膜置于水蒸氣中，玻璃表面會附著水霧，紫外線光照射后，表面水霧消失，玻璃重又變得透明。在汽車擋風玻璃、后視鏡表面鍍上TiO2薄膜，可防止鏡面結霧。實驗表明，鍍有納米TiO2薄膜的表面與未鍍TiO2薄膜的表面相比，前者顯示出高度的自清潔效應。一旦這些表面被油污等污染，因其表面具有超親水性，污染不易在表面附著，附著的少量污物在外部風力、水淋沖力、自重等作用下，也會自動從TiO2表面剝離下來，陽光中的紫外線足以維持TiO2的薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期的自潔去污效應。這一特性的開發利用將改變人們對涂層功能的認識，從而給涂層材料帶來-次新的革命。今后將廣泛應用于汽車表面涂層、建筑物玻璃外墻等。由于納米TiO2光催化劑具有良好的化學穩定性、抗磨損性能好、成本低、制備的薄膜透明等優點，已成為目前最引人注目的環境凈化材料，更重要的是能直接利用太陽光、太陽能、普通光源來凈化環境。 
       總之，隨著納米材料和納米技術基礎研究的深入和實用化進程的發展，特別是納米技術與環境保護和環境治理進一步有機結合，許多環保難題諸如大氣污染、污水處理、城市垃圾等將會得到解決。我們將充分享受納米技術給人類帶來的潔凈環境。