纳米材料在环境领域的应用
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纳米技术与纳米材料及其环保应用前沿
摘要：概述了纳米技术及材料在环境保护中的应用情况，特别是在污水处理与空气净化方面，认为纳米技术及材料的应用将会给环境科学带来突破性进展，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源的产生创造条件，表明利用纳米技术及纳米材料解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。同时也介绍了纳米材料潜在的毒性，相应的废弃物管理体制建立的重要性。
3.2
纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力,避免了因焚烧处理而带来的二次环境污染问题。
3.3
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。
关键词：纳米；纳米技术；环境保护；潜在风险
前言
由于全世界工业化进展速度的加快，全球面临着严重的环境污染。但随着纳米材料的悄然崛起，人类利用资源和保护环境的能力也得到拓展。为彻底改善环境和控制新的污染源产生，纳米材料为其提供了技术支持。纳米技术就是在1-100 nm尺度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术；纳米材料是指在三维空问中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料通常以其表面原子数占总原子数比例大和显示量子尺寸效应这两个重要特点而影响其各种物理和化学性能，使纳米颗粒具有独特的性质。本文就纳米技术及材料在环境治理中的应用进行了阐述。
[7]金其镛，李华禄，张凯. TiO2折流式光催化氧化反应器降解农药甲基对硫磷的研究[J].江汉大学学报，1999,16（3）：5-8.
[8]金一和等.纳米材料对人体的潜在性影响问题然杂志[J].自然杂志，23（5）：306-307.
[9]赵春芳.纳米材料的环境风险[J]化学教学，2005（5）：42-43.-
1.
纳米技术是一种材料技术，材料技术发展的趋势之一就是尺寸向越来越小的方向发展。纳米技术就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1-100 nm）的固体材料，是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交汇而出现的新的学科。纳米材料包括纳米无机材料、纳米聚合物材料、纳米金属材料、纳米半导体材料及纳米复合材料等。
2.1.3
工业用煤燃烧后也会产生SO2气体,如加人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。
2.1.4
新装潢房间的空气中有机物浓度高于室外，甚至高于工业区。研究表明，纳米粒子在紫外光照射下能很好的降解和吸附室内新建材(涂料、油漆、木材等)和粘接剂产生的甲醛、甲苯、吸烟所产生的乙醛以及空气中的氯乙烯等污染有机物，其中纳米TiO2的降解效果最好旧。
2.1.2
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NOx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NOx,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NOx,无需进行尾气净化处理。
另外纳米材料也有传统意义上的毒性。某些纳米材料中包含了金属元素，与金属盐不同，这些金属元素通常是非离子态的，包括零价的重金属，而另一些纳米材料表面则可能连接有一些可能脱落的基团，若重金属离子和有毒的不稳定基团从纳米材料表面脱离或从内部游离出来，则会具有相应有毒物质在传统形态下的毒性。
5.展望
目前有关纳米材料对人体健康和环境的影响
4.
纳米材料因其展现出的独特物理、化学特性，在诸多领域具有应用价值，成为重要的研究方向。于此同时，纳米材料特殊的理化性质可能对人体健康构成严重危害。例如，对于可吸入颗粒而言，一般认为颗粒越细越容易被呼出，但是最近的一些研究指出，在颗粒化学成分不变的前提下，颗粒尺寸从微米级过渡到纳米级时生物毒性变大，这需要引起警惕。
纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体的交界区域，因而具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并产生奇异的传统材料和器件所没有的电学、磁学、光学、吸附、催化以及生物活性等特殊性能。
2
2.1
2.1.1
工业用及车用燃料油是最大的污染源,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（CoTiO3）是一种非常好的石油脱硫催化剂。以半径为55-70 nm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。
2.2.2
污水中的重金属对人体的危害很大，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，并将其还原为细小的金属晶体，这样即消除了废水的毒性，又可回收贵重金属阴。例如废水中的Cr6+具有较强的致癌性(是Cr3+的l00倍)，将Cr6+转化为Cr3+毒性大大降低；纳米Ti02能将SO42-、NOx和S2-还原成单质或无毒低氧化态的氧化物，将剧毒CN-被光催化氧化反应生成C02、N2和NO3-。如TiO2光催化法对电镀工业废水中的CN-、I-、Br-、Cl-等可进行光解，从Au(CN)4-中还原出Au，不仅能消除CN-而且能够还原镀液中的贵金属，从而降低污染度。
3
3.1
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。
（
参考文献
[1]Skubal L R, Meshkov N K. Reduction and removal of metcury from water using arginine–modified TiO2[J]. J Photochem Photobiol A: Chem, 2002 (148): 211.
2.2.3
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。
[2]海景，程江．纳米材料在水污染治理方面的应用[J]．广东化工，2004,(9)：51-52．
[3]豆俊峰与B振扬'郑泽根．纳米TiO。光催化特性及其在环境科学中的应用叨．材料导报,2000,14(6)：35．
[4]Skubal L R, Meshkov N K. Reduction and removal of metcury from water using arginine – modified TiO2[J]. J Photochem Photobiol A: Chem, 2002 (148): 211.
2.2
2.2.1
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。
[10]Aitken R J，Creely K S，Tran C I．Nanoparticles：An occupational hygiene review[R]．Suffolk，UK：Health and Safety Executive，2004.
[5]胡将军，李英柳Biblioteka Baidu彭卫华．吸附一光催化净化甲醛废气的实验研究[J].化学与生物工程，2004，21(1)：39-41．
[6]Pintar A, Bercic G, Besson M, et al. Catalytic Wet-Air Oxidation of Industrial Effluents: Total Mineralization of Organics and Lumped Kinetic Modelling[J].Appl Catal, B, 2004,47(3): 143-152.
摘要：概述了纳米技术及材料在环境保护中的应用情况，特别是在污水处理与空气净化方面，认为纳米技术及材料的应用将会给环境科学带来突破性进展，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源的产生创造条件，表明利用纳米技术及纳米材料解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。同时也介绍了纳米材料潜在的毒性，相应的废弃物管理体制建立的重要性。
3.2
纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而可解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力,避免了因焚烧处理而带来的二次环境污染问题。
3.3
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。
关键词：纳米；纳米技术；环境保护；潜在风险
前言
由于全世界工业化进展速度的加快，全球面临着严重的环境污染。但随着纳米材料的悄然崛起，人类利用资源和保护环境的能力也得到拓展。为彻底改善环境和控制新的污染源产生，纳米材料为其提供了技术支持。纳米技术就是在1-100 nm尺度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术；纳米材料是指在三维空问中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料通常以其表面原子数占总原子数比例大和显示量子尺寸效应这两个重要特点而影响其各种物理和化学性能，使纳米颗粒具有独特的性质。本文就纳米技术及材料在环境治理中的应用进行了阐述。
[7]金其镛，李华禄，张凯. TiO2折流式光催化氧化反应器降解农药甲基对硫磷的研究[J].江汉大学学报，1999,16（3）：5-8.
[8]金一和等.纳米材料对人体的潜在性影响问题然杂志[J].自然杂志，23（5）：306-307.
[9]赵春芳.纳米材料的环境风险[J]化学教学，2005（5）：42-43.-
1.
纳米技术是一种材料技术，材料技术发展的趋势之一就是尺寸向越来越小的方向发展。纳米技术就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1-100 nm）的固体材料，是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交汇而出现的新的学科。纳米材料包括纳米无机材料、纳米聚合物材料、纳米金属材料、纳米半导体材料及纳米复合材料等。
2.1.3
工业用煤燃烧后也会产生SO2气体,如加人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。
2.1.4
新装潢房间的空气中有机物浓度高于室外，甚至高于工业区。研究表明，纳米粒子在紫外光照射下能很好的降解和吸附室内新建材(涂料、油漆、木材等)和粘接剂产生的甲醛、甲苯、吸烟所产生的乙醛以及空气中的氯乙烯等污染有机物，其中纳米TiO2的降解效果最好旧。
2.1.2
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NOx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NOx,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NOx,无需进行尾气净化处理。
另外纳米材料也有传统意义上的毒性。某些纳米材料中包含了金属元素，与金属盐不同，这些金属元素通常是非离子态的，包括零价的重金属，而另一些纳米材料表面则可能连接有一些可能脱落的基团，若重金属离子和有毒的不稳定基团从纳米材料表面脱离或从内部游离出来，则会具有相应有毒物质在传统形态下的毒性。
5.展望
目前有关纳米材料对人体健康和环境的影响
4.
纳米材料因其展现出的独特物理、化学特性，在诸多领域具有应用价值，成为重要的研究方向。于此同时，纳米材料特殊的理化性质可能对人体健康构成严重危害。例如，对于可吸入颗粒而言，一般认为颗粒越细越容易被呼出，但是最近的一些研究指出，在颗粒化学成分不变的前提下，颗粒尺寸从微米级过渡到纳米级时生物毒性变大，这需要引起警惕。
纳米材料的尺度处于原子簇和宏观物体的交界区域，因而具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，并产生奇异的传统材料和器件所没有的电学、磁学、光学、吸附、催化以及生物活性等特殊性能。
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2.1
2.1.1
工业用及车用燃料油是最大的污染源,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（CoTiO3）是一种非常好的石油脱硫催化剂。以半径为55-70 nm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。
2.2.2
污水中的重金属对人体的危害很大，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，并将其还原为细小的金属晶体，这样即消除了废水的毒性，又可回收贵重金属阴。例如废水中的Cr6+具有较强的致癌性(是Cr3+的l00倍)，将Cr6+转化为Cr3+毒性大大降低；纳米Ti02能将SO42-、NOx和S2-还原成单质或无毒低氧化态的氧化物，将剧毒CN-被光催化氧化反应生成C02、N2和NO3-。如TiO2光催化法对电镀工业废水中的CN-、I-、Br-、Cl-等可进行光解，从Au(CN)4-中还原出Au，不仅能消除CN-而且能够还原镀液中的贵金属，从而降低污染度。
3
3.1
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。
（
参考文献
[1]Skubal L R, Meshkov N K. Reduction and removal of metcury from water using arginine–modified TiO2[J]. J Photochem Photobiol A: Chem, 2002 (148): 211.
2.2.3
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。
[2]海景，程江．纳米材料在水污染治理方面的应用[J]．广东化工，2004,(9)：51-52．
[3]豆俊峰与B振扬'郑泽根．纳米TiO。光催化特性及其在环境科学中的应用叨．材料导报,2000,14(6)：35．
[4]Skubal L R, Meshkov N K. Reduction and removal of metcury from water using arginine – modified TiO2[J]. J Photochem Photobiol A: Chem, 2002 (148): 211.
2.2
2.2.1
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。
[10]Aitken R J，Creely K S，Tran C I．Nanoparticles：An occupational hygiene review[R]．Suffolk，UK：Health and Safety Executive，2004.
[5]胡将军，李英柳Biblioteka Baidu彭卫华．吸附一光催化净化甲醛废气的实验研究[J].化学与生物工程，2004，21(1)：39-41．
[6]Pintar A, Bercic G, Besson M, et al. Catalytic Wet-Air Oxidation of Industrial Effluents: Total Mineralization of Organics and Lumped Kinetic Modelling[J].Appl Catal, B, 2004,47(3): 143-152.