功能材料概述及环境功能材料的应用研究

功能材料概述及环境功能材料的应用研究

摘要

随着经济的迅速发展，人们对材料的需求日益增加。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。本篇综述简单介绍了功能材料的基本性能、特点并列举了环境功能材料的应用研究。

关键词：功能材料性能特点应用功能材料环境

1. 前言

材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。因此，现在称材料、信息和能源为现代文明的三大支柱，又把新材料、信息和生物技术作为新技术革命的主要标志。

材料的发展虽然历史悠久，但作为一门独立的学科始于20世纪60年代。材料的研究和制造开始从经验的、定性的和宏观的向理论的、定量的和微观的发展。20世纪70年代，美国学者首先提出材料科学与工程这个学科全称。1975年美国科学院发表的《材料与人类》专著中，对材料科学与工程定义为：探索和应用材料的成分、结构、加工和其性质与应用之间关系的一门学科。

功能材料的概念是美国 Morton J A于1965年首先提出来的。功能材料是指具有一种或几种特定功能的材料，如磁性材料、光学材料等，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。20世纪60年代以来，各种现代技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。同时，由于固体物理、固体化学、量子理论、结构化学、生物物理和生物化学等学科的飞速发展以及各种制备功能材料的新技术和现代分析测试技术在功能材料研究和生产中的实际应用，许多新功能材料不仅已经在实验室中研制出来，而且已经批量生产和得到应用，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。因此，功能材料学科已经成为材料科学中的一个分支学科。功能材料迅速发展是材料发展第二阶段的主要标志，因此把功能材料称为第二代材料。

2. 功能材料的基本性能

功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称, 即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料。

功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时, 材料起能量传送部件作用, 又称载体材料, 主要有: (1) 力学功能如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性； (2) 声功能如吸音性、隔音性； (3) 热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性；(4) 电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻； (5) 磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性； (6) 光功

能如透光性、遮光性、反射光性、折射光性、吸收光性、偏振性、聚光性、分光性；(7) 化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收；

(8) 其它功能如电磁波特性( 常与隐身相联系) 、放射性。二次功能是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时, 材料起能量转换部件作用, 又称高次功能, 主要有: (1) 光能与其它形式能量的转换, 如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应；(2) 电能与其它形式能量的转换, 如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应, 场致发光效应、电光效应和电化学效应；(3) 磁能与其它形式能量的转换, 如热磁效应, 磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变；(4) 机械能与其它形式能量的转换, 如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应。

3. 功能材料的特征

功能材料是指具有优良的物理、化学和生物或其相互转化的功能，用于非承载目的的材料。迄今为止，功能材料尚无统一的和严格的定义。但一结构材料相比，有以下主要特征:

（1）功能材料的功能对应于材料的微观结构和微观物体的运动，这是最本质的特征。

（2）功能材料的聚集态和形态非常多样化，除了晶态外，还有气态、液态、液晶态、非晶态、准晶态、混合态和等离子态等。除了三维体相材料外，还有二维、一维和零维材料。除了平衡态，还有非平衡态。

（3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能材料有相当一部分是以元件形式为最终产品，即材料元件一体化。

（4）功能材料是利用现代科学技术、多学科交叉的知识密集型产物。

（5）功能材料的制备技术不同于结构材料用的传统技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微型化、密积化、智能化已经精细控制和检测技术。

目前，现代技术对物理功能材料的需求最多，因此，物理功能材料发展最快，品种多，功能新，商品化和实用率高，在已使用的功能材料中占了绝大部分。

4环境功能材料的应用

环境功能材料主要是指具有独特的物理、化学、生物性能，并有优良的环境净化效果的新型材料。它们可以在经典工艺中发挥重要作用，也可以为人类提供新的环境工艺。这些材料在受到越来越多的研究人员关注的同时，也在环境工程上表现出其独特的价值。

4.1沸石在废水除磷中的应用

沸石是一族含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物，是当今世界各国十分重视的新兴矿产资源。沸石具有开放式的结构，晶格内部有很多大小均一的孔穴和通道，在孔穴和通道中存在许多沸石水，当水分子被除去后，就形成了一个个内表面很大的孔穴，孔穴通过开口的通道彼此相连，使得沸石的表面积巨大，可达400—800m2/g，具有良好的吸附性能。沸石表面还具有很大的色散力和较大的静电力，

故其吸附力特别强大。因此，沸石可作为优良的吸附剂用于废水处理中。张兰泉等的研究表明，沸石吸附剂对水中磷有良好去除性能，除磷容量可达15mg/g以上。刘远金研究了天然沸石对生活污水中氮磷的去除效果。结果表明，沸石有降低总氮、氨氮、总磷和无机磷的作用，其降低程度随沸石用量的增多而加大，粉状沸石除氮磷的效果在10d左右较佳。

天然的沸石矿物其孔道多含沸石水及其它杂质形成堵塞，并且相互连通的程度也较差。将天然沸石直接加以使用，其吸附能力往往达不到要求。因此对天然沸石进行活化处理以提高吸附能力是有必要的。

天然沸石改性处理制成污水吸附剂，动态处理氨氮的一次去除率达82％，对磷的一次去除率达79％以上，COD下降78％以上。很多研究认为，天然沸石经镁、铝化合物活化制得的新型吸附荆，对废水中的磷酸根有良好的吸附去除性能。

4.2环境功能材料改性粉煤灰的制备及应用

为了实现粉煤灰和酸洗废液的资源化，利用酸洗废液对粉煤灰进行改性处理后，制成具有除磷功能的环境功能材料。按固液比(质量：体积)为2:l、1:l、1:2的比例分别将lOOg粉煤灰加入到50、100、200ml的酸洗废液中，在室温下充分混合反应30min，静置30min，过滤后的粉煤灰烘干备用，制得3种改性粉煤灰：A(固液比为2：1)、B(固液比为1：1)、C(固液比为1：2)。A、B、C 3种酸洗废液改性粉煤灰。在pH为4～l0的范围内均

3－浓度为0.05—具有很高的去除率为98.15％～99.79％，处理后水PO

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0.45mg/L，均低于0.5mg/L，达国家污水磷排放一级标准(GB8978—1996)。

4.3新型碳材料在处理水体中痕量污染物方面的应用

碳材料是与人类文明进步息息相关的重要材料之一，各种不同形态的碳单质及碳化合物在人类发展中做出了巨大的贡献。因为传统的活性炭材料有明显的缺陷，如吸附容量小，竞争物质多，再生性能差，对短链有机物吸附效果差，所以传统活性炭材料在应对痕量污染物时效果并不理想。但是碳材料尤其是纳米碳材料，因其优异的吸附性能和催化性能，在人们不断深入研究下获得了应对痕量污染物的新活力，另一方面，新型的高分子吸附材料也日益受到关注。

新型碳材料主要包括碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）、纳米活性炭纤维（Activited nanoporous carbon fibers , ACF）等。这些新型纳米材料在水体中痕量污染物的控制上取得了较好的效果。

ACF是一种以有机纤维为前躯体通过不同途径制得的新型功能性纤维，具有良好的成型性、耐酸碱、化学稳定性好，ACF独特的孔结构、孔分布使之成为了极佳的吸附剂。ACF对于痕量三氯乙烯（TCE，质量浓度1500μ

g/L）的吸附可达99％（＜5μg/L），对于痕量除草剂莠去津（120μg/L）的去除率也达到99％（＜1μg/L），而普通颗粒活性炭的去除率都只有80％左右。

CNTs是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲成的无缝筒状的纳米级中空管，其尺寸小、力学强度高、比表面积大、耐酸、耐碱、化学稳定性高、界面效应强，是一种良好的吸附剂和催化剂。有报道研究了CNTs对水溶液