纳米材料在生态环境方面的应用及潜在危害

４． 其它
控制污染源。 污染的预防是指有 效地使用原材料、 能源、 水及其他资源 以减少或消除废物的产生，从而从源 头上遏制污染的发生。 监测环境污染。 如有毒的Ｎ Ｏ ｘ 可 导致酸雨和温室效应，因此其在大气 中的含量必须被适时监测。 目前监测 技术成本高，不便移动作业，所需温度 高。 与现有监测仪器不同的是，利用纳 米技术研制的碳纳米管可以用于监测 ＮＯｘ，可在室温下工作， 造价低廉， 而 且体积小，只有３μｍ ［２］。 土壤污染物的治理。 以往土壤或
１ ． 水环境保护
由于自然和人为的原因， 水中的 污染物会大量增加， 超过水体的自净 能力， 使水中各种成分之间的相对平 衡受到破坏， 从而引起水质变坏。 目
一、 在环境保护方面的应用
在工业生产和社会生活中， 使用 纳米材料能够降低能源和材料的消 耗， 减少有害有毒废物的排放， 从而间 接减轻对环境污染的负荷。 例如， 利用 纳米技术的居室照明可以降低１０％的 电能消耗， 美国据计算每年可以减少
纳米材料对于改善我们赖以生存 的大气环境也具有多方面的应用。 用作煤炭助燃催化剂。 工业用煤 燃烧后也会产生Ｓ Ｏ ２ 气体， 如加入纳 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Ｓ Ｏ ２ 气体， 从而消除有害气体的 产生［９］。 用作石油脱硫催化剂。 工业用及 车用燃料油是最大的Ｓ Ｏ ２ 污染源， 燃 料油中的含硫化合物在燃烧后会产生 Ｓ Ｏ ２ ， 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（ＣｏＴｉＯ ３ ） 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 Ａ ｌ ２ Ｏ ３ 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。 用作汽车尾气净化催化剂。 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Ｃ Ｏ 和Ｎ Ｏ ｘ 的污染问题。 以活 性炭作为载体、 纳米Ｚｒ ０．５ Ｃｅ ０．５ Ｏ ２ 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Ｚ ｒ ４ ＋ ／ Ｚ ｒ ３ ＋ 及 Ｃ ｅ ４ ＋ ／ Ｃ ｅ ３ ＋ ， 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
要性显而易见。 而纳米材料可以通过 多种途径进入自然环境而产生多种环 境行为， 可能引起生物体的毒性效应。 已有研究显示纳米材料可以在细胞水 平、 亚细胞水平、 基因、 蛋白水平及整 体动物水平对生物体产生影响， 其生 态学影响不可忽视。 国际上， 纳米技术在环保领域的 开发研究已经涉及诸多方面， 某些在 较高的层面的探索实践已达到实用阶 段。 我国环境界也已有不少学者开展 了纳米技术在生态环境领域的研究开 发工作， 提出许多课题， 并且取得了一 定进展。 纳米材料生态学研究已经越 来越多地受到各界广泛关注。
解这些物质，其中纳米ＴｉＯ ２的降解效 率最好， 几乎接近达到１００％。 将某些 对日光有响应的半导体纳米材料涂敷 于墙壁或其它合适的表面上做成光致 空气清洁剂， 可将Ｓ Ｏ ２ 、 Ｈ ２Ｓ 、 ＮＯ、 ＮＯ２ 等有害气体吸附于表面， 在光作用下 转化为无害物质，也可氧化去除甲硫 醇、 硫化物、 氨气等有害气体。
。 这种２０世纪７０年代发展起来的农
药品种占我国农药产量的８ ０ ％ ， 它的
Hale Waihona Puke ５ ２新材料产业 ＮＯ．３ ２００８
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Ｃ Ｏ ２ 和Ｎ ２ 。 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Ｃ Ｏ 和Ｎ Ｏ ｘ ， 无需进行尾气 净化处理。 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。 采用创新的纳米微乳化 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［１０］ 。 治理大气污染。 随着人们生活水 平的提高，交通工具越来越发达，汽车 拥有量越来越多，汽车所排放的尾气 已成为污染大气环境的主要来源之 一。 汽车尾气的治理已成为各国政府 亟待解决的难题。 实验研究发现，纳米 级稀土钙钛矿型复合氧化物Ａ Ｂ Ｏ ３ 对 汽 车 尾 气 所 排 放 的Ｃ Ｏ 、 Ｎ Ｏ 和Ｈ Ｃ 具 有良好的催化转化作用。 把它作为活 性组份负载于蜂窝状堇青石载体上制 成的汽车尾气催化剂三元催化效果较 好，价格便宜，可以替代昂贵的贵金属 催化剂。 近年来，很多稀土钙钛矿型复 合氧化物已经投放市场应用于汽车尾 气的治理［２］。 降解空气中的有害物质。 调查表 明，新装修的房间内空气中有机物浓 度高于室外，甚至高于工业区。 对室内 主要的气体污染物甲醛、 甲苯等的研 究结果表明，光催化剂可以很好地降
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Ｆ ｒｏｎｔｉｅｒ 前沿
和帐篷等能起到自洁作用，不需使用 化学洗涤剂清洗，从而降低了污水的 排放量，同时减少了水资源的消耗。 水的净化处理。 传统的水处理方 法可以除去污水中的悬浮物、 泥沙等 污染物，但对低浓度可溶性有毒、 有害 物质的处理效率低、 成本高，有时甚至 无法处理。 使用纳米材料的光催化方 法，可使许多难降解的污染物转化为 Ｈ ２ Ｏ 和Ｃ Ｏ ２ 等无污染的小分子物质。 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Ｔ ｉ Ｏ ２ 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。 其机理 就是通过催化剂表面产生的强氧化性 的 ・ ＯＨ 致使有机物氧化分解，最终使 之矿化。 因这种氧化作用无选择性，且 有较高的分解效率，所以环境中的多 种有机污染物均可被氧化分解而消 除。 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Ｃ Ｏ Ｄ 和Ｂ Ｏ Ｄ ［ ３ ］ 。 中 科院一研究所采用纳米ＴｉＯ ２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０ ， 浓度为１ ｍ ｍ ｏ ｌ ／ 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Ｔ ｉ Ｏ ２ 可以降解有机磷农药
量的研究，并取得了一定的成果［７］。 抑制蓝藻生长。 研究表明， 改性 纳米ＴｉＯ ２具有较强的氧化能力，对滇 池蓝藻的微囊藻胶群体、 叶绿素以及 超氧化物歧化酶活性等可产生明显的 破坏性影响，从而可显著抑制蓝藻生 长。 纳米ＴｉＯ２的这一性质有望应用于改 善自然水域的生态系统和自然景观［８］。
２ ． 大气环境保护
Ｆ ｒｏｎｔｉｅｒ 前沿
纳米材料在生态环境方 面的应用及潜在危害
◇汤宏波 中国科学院武汉文献情报中心
纳米材料在电子、 磁学、 光学、 生 物医学、 药学、 化妆品、 能源、 传感器、 催化以及材料学等各个领域均有十分 广泛的用途。 其中， 随着人类利用资源 和保护环境的能力的拓展， 纳米技术 为彻底改善环境和从源头上控制新的 污染源产生，创造了有利条件。 纳米技 术与环境保护和环境治理的进一步有 机结合，将会有助于许多环保难题的 解决，诸如大气污染、 污水处理、 城市 垃圾等问题的解决。 纳米材料的奇异特性给我们带来 了巨大的开发利用价值， 但是作为新 技术， 安全性是影响其发展的重要瓶 颈。 目前纳米技术的安全性已受到世 界各国的广泛重视， 美国、 欧盟及日本 都对该领域的研究投入了大量经费， 其中美国国家纳米技术计划 （Ｎ Ｎ Ｉ ） ２００６ 财政年度为环境健康和安全方 面研究提供的资助高达３８５０万美元， 约占整个纳米科技投入的４％， 并计划 在今后几年将这一比例提高到１３％ ［１］。 生态环境作为生命活动的基础， 其重
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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Ｔ ｉ Ｏ ２ 进行 催化降解从而得到根本解决。 浙江农 业大学等单位利用ＴｉＯ ２ 的光催化活 性降解久效磷农药废水。 用纳米ＴｉＯ ２ 催化降解技术来处理毛纺染整废水， 能使有机物完全矿化并消除了二次污 染， 具有省资、 高效、 节能等特点，显 示出良好的应用前景［５］。 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。 农药。 农药分为除草剂和杀虫 剂，大都是有机磷、 有机氯及含氮化合 物。 它们在大气、 土壤和水体中停留时 间长，危害范围广，且难以降解，故其 在自然界的环境化学行为深受人们的 关注。 １９９９ 年，郑巍［６］ 等人研究了由 Ｃ Ｍ Ｃ － Ｎ ａ 附载普通Ｔ ｉ Ｏ ２ 光催化降解 咪呀胺农药的过程， 降解率达５０％ 以 上，降解速率符合假一级动力学方程， 并探讨了以自然光为光源催化降解咪 呀胺的可行性。 染料。 在染料的生产和使用中， 有大量盐度高、 色度深、 异味大的染料 废水进入环境，对生态环境和饮用水 造成极大的污染。 近年来用普通ＴｉＯ ２ 粉末对染料的脱色、 光解等进行了大
前， 我国每年排放的工业废水和生活 污水， 据不完全统计超过４００多亿ｔ， 我 国８０％的江河湖泊已经遭到不同程度 的污染。 在水环境保护方面， 纳米材料 及技术可以应用于以下几个方面： 减少水资源消耗。 用 纳 米Ｔ ｉ Ｏ ２ 处理后的化学纤维制作的衣服、 窗帘
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
特性，可以提高食品包装的重复利用 度、 减轻环境污染［１１］。 处理城市垃圾。 纳米ＴｉＯ ２ 可以加 速城市生活垃圾的降解，其降解速度 是大颗粒ＴｉＯ ２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 ． 城市垃圾处理
中国有１３亿人口， 城市垃圾年产 量达１亿ｔ以上， 而且每年大致以８％左 右的增长率递增。 针对日益严重的城 市垃圾 “危机” ， 世界各国政府特别是 一些发达国家都纷纷将城市垃圾问题 列为本国实施可持续发展战略的重要 课题之一。 而纳米材料应用于城市垃 圾的处理具有奇效。 减少废物的产生。 目前许多食品 多以铝箔、 聚乙烯等作为包装材料，食 用后包装废弃物采用掩埋的方式造成 的环境污染，已逐渐引起了人们的重 视。 纳米材料的可回收、 可生物降解等
碳排放２亿ｔ［１］。 用于水和空气的处理， 消除水和空气中最微细的污染物（分 别为３００ｎｍ和５００ｎｍ），使空气和饮用 水更加清洁。 新型的纳米级净水剂具 有很强的吸附能力，是普通净水剂的 １０～２０倍，可将污水中的悬浮物和铁 锈异味等污染物除去。 通过纳米孔径 的过滤装置，还能去除水中的细菌和 病毒。 净化和淡化海水的选择性滤膜， 不仅成本低， 而且所需能量不到目前 的１／１０ ［２］ 。