納米材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用

納 米 材 料 在 環(huán) 境 保 護 中 的 應(yīng) 用 納 米 材 料納 米 材 料 是 指 三 維 空 間 中 至 少 有 一 維 處 于納 米 尺 度 范 圍 或 者 由 它 們 作 為 基 本 單 元 構(gòu)成 的 材 料 。 納 米 材 料 由 晶 體 、 準(zhǔn) 晶 、 非 晶組 成 ， 其 基 本 單 元 或 者 組 成 單 元 可 以 是 原子 團 簇 、 納 米 微 粒 、 納 米 線 或 納 米 膜 ， 它既 包 括 金 屬 材 料 ， 也 可 包 括 無 機 非 金 屬 材料 和 高 分 子 材 料 。 納 米 材 料當(dāng) 固 體 材 料 的 尺 寸 進 入 納 米 量 級 時 ， 其 本身 和 由 這 些 納 米 粒 子 構(gòu) 成 的 納 米 固 體 將 會出 現(xiàn) 一 些 基 本 效 應(yīng) ， 主 要 體 現(xiàn) 在 以 下 四 個方 面 ：表 面 效 應(yīng)量 子 尺 寸 效 應(yīng)小 尺 寸 效 應(yīng)宏 觀 量 子 隧 道 效 應(yīng) 納 米 材 料 的 基 本 效 應(yīng)(1)表 面 效 應(yīng)納 米 微 粒 尺 寸 小 ， 表 面 能 高 ， 位 于 表 面 的 原 子 占相 當(dāng) 大 的 比 例 。 隨 著 粒 徑 減 小 ， 表 面 原 子 數(shù) 迅 速增 加 ， 這 是 由 于 粒 徑 小 ， 表 面 積 急 劇 變 大 所 致 。例 如 ： 粒 徑 為 10nm時 ， 比 表 面 積 為 90m2/g； 粒 徑為 5nm時 ， 比 表 面 積 為 180 m2/g； 粒 徑 為 2nm時 ，比 表 面 積 為 450 m2/g.這 樣 高 的 比 表 面 積 ， 使 處 于表 面 的 原 子 數(shù) 越 來 越 多 ， 同 時 表 面 能 迅 速 增 加 ，表 面 原 子 的 活 性 增 強 ， 引 起 納 米 粒 子 表 面 原 子 輸運 和 構(gòu) 型 的 變 化 ， 也 引 起 表 面 電 子 自 旋 構(gòu) 像 和 電子 能 譜 的 變 化 。 納 米 材 料 的 基 本 效 應(yīng)(2)量 子 尺 寸 效 應(yīng)當(dāng) 粒 子 尺 寸 下 降 到 納 米 尺 寸 時 ， 金 屬 材 料的 費 米 能 級 附 近 的 電 子 能 級 從 連 續(xù) 變 為 離散 的 能 級 的 現(xiàn) 象 和 納 米 導(dǎo) 體 中 的 最 高 被 占據(jù) 軌 道 和 最 低 空 軌 道 的 能 級 出 現(xiàn) 不 連 續(xù) ，能 隙 變 寬 的 現(xiàn) 象 ， 統(tǒng) 稱 為 量 子 尺 寸 效 應(yīng) 。納 米 微 粒 的 量 子 尺 寸 效 應(yīng) 導(dǎo) 致 其 磁 、 光 、熱 、 電 和 超 導(dǎo) 性 等 特 征 與 宏 觀 特 征 存 在 著明 顯 的 不 同 。 例 如 ： Ag微 粒 在 1K時 出 現(xiàn) 量子 尺 寸 效 應(yīng) ， 由 導(dǎo) 體 變 為 絕 緣 體 ， 其 臨 界粒 徑 小 于 20nm。 納 米 材 料 的 基 本 效 應(yīng)(3)小 尺 寸 效 應(yīng)納 米 顆 粒 的 粒 徑 減 小 到 某 一 特 定 值 時 ， 晶體 周 期 性 的 邊 界 條 件 被 破 壞 ， 引 起 顆 粒 表面 層 附 近 原 子 密 度 的 減 小 ， 表 現(xiàn) 為 材 料 宏觀 的 物 理 、 化 學(xué) 性 質(zhì) 發(fā) 生 了 很 大 的 變 化 ，稱 為 小 尺 寸 效 應(yīng) 。從 而 產(chǎn) 生 一 系 列 新 奇 的 性 質(zhì) 。 納 米 材 料 的 基 本 效 應(yīng)(3)小 尺 寸 效 應(yīng) 特 殊 的 光 學(xué) 性 質(zhì) ： 納 米 金 屬 的 光 吸 收 性 顯 著 增 強 。粒 度 越 小 ， 光 反 射 率 越 低 。 所 有 的 金 屬 在 超 微 顆 粒狀 態(tài) 都 呈 現(xiàn) 為 黑 色 。 尺 寸 越 小 ， 顏 色 愈 黑 。 金 屬 超微 顆 粒 對 光 的 反 射 率 通 常 可 低 于 l ， 約 幾 微 米 的厚 度 就 能 完 全 消 光 。 相 反 ， 一 些 非 金 屬 材 料 在 接 近納 米 尺 度 時 ， 出 現(xiàn) 反 光 現(xiàn) 象 。 納 米 TiO 2、 納 米 SiO 2、納 米 Al2O 3 等 對 大 氣 中 紫 外 光 很 強 的 吸 收 性 。 熱 學(xué) 性 質(zhì) 的 改 變 ： 固 態(tài) 物 質(zhì) 超 細 微 化 后 其 熔 點 顯著 降 低 。 當(dāng) 顆 粒 小 于 10 nm 量 級 時 尤 為 顯 著 。 例 如 ，金 的 常 規(guī) 熔 點 為 1064 ， 當(dāng) 顆 粒 尺 寸 減 小 到 2 nm 尺 寸 時 的 熔 點 僅 為 327 左 右 ； 銀 常 規(guī) 熔 點 為 670 ，超 微 銀 顆 粒 的 熔 點 可 低 于 100 。 (3)小 尺 寸 效 應(yīng) 特 殊 的 磁 學(xué) 性 質(zhì) ： 小 尺 寸 的 超 微 顆 粒 磁 性 與 大 塊 材料 顯 著 的 不 同 ， 大 塊 的 純 鐵 矯 頑 力 約 為 80A m， 而當(dāng) 顆 粒 尺 寸 減 小 到 20nm以 下 時 ， 其 矯 頑 力 可 增 加 1千倍 ， 當(dāng) 顆 粒 尺 寸 約 小 于 6nm時 ， 其 矯 頑 力 反 而 降 低 到零 ， 呈 現(xiàn) 出 超 順 磁 性 。 利 用 磁 性 超 微 顆 粒 具 有 高 矯 頑力 的 特 性 ， 已 做 成 高 貯 存 密 度 的 磁 記 錄 磁 粉 ， 大 量 應(yīng)用 于 磁 帶 、 磁 盤 、 磁 卡 等 。 利 用 超 順 磁 性 ， 人 們 已 將磁 性 超 微 顆 粒 制 成 用 途 廣 泛 的 磁 性 液 體 。 特 殊 的 力 學(xué) 性 質(zhì) ： 納 米 材 料 的 強 度 、 硬 度 和 韌 性 明顯 提 高 。 納 米 銅 的 強 度 比 常 態(tài) 提 高 5倍 ； 納 米 金 屬 比 常態(tài) 金 屬 硬 3 5倍 。 納 米 陶 瓷 材 料 具 有 良 好 的 韌 性 ， 因為 納 米 材 料 具 有 大 的 界 面 ， 界 面 的 原 子 排 列 相 當(dāng) 混 亂 ，原 子 在 外 力 變 形 的 條 件 下 很 容 易 遷 移 ， 因 此 表 現(xiàn) 出 甚佳 的 韌 性 與 一 定 的 延 展 性 。 氟 化 鈣 納 米 材 料 在 室 溫 下可 以 大 幅 度 彎 曲 而 不 斷 裂 。 納 米 材 料 的 基 本 效 應(yīng)(4)量 子 隧 道 效 應(yīng)電 子 能 量 低 于 勢 壘 高 度 時 ， 由 于 其 具 有 波動 性 而 具 有 穿 過 勢 壘 的 幾 率 ， 這 就 是 隧 道效 應(yīng) 。 最 近 人 們 研 究 發(fā) 現(xiàn) 微 粒 的 磁 化 強 度 、量 子 相 干 器 件 中 的 磁 通 量 等 宏 觀 物 理 量 也具 有 隧 道 效 應(yīng) ， 稱 為 宏 觀 隧 道 效 應(yīng) 。 宏 觀量 子 隧 道 效 應(yīng) 的 研 究 對 基 礎(chǔ) 研 究 及 實 用 都有 著 重 要 意 義 。 它 限 定 了 磁 帶 、 磁 盤 進 行信 息 貯 存 的 時 間 極 限 。 環(huán) 境 污 染 半 導(dǎo) 體 光 催 化 氧 化 半 導(dǎo) 體 光 催 化 氧 化 半 導(dǎo) 體 光 催 化 氧 化 半 導(dǎo) 體 光 催 化 氧 化 用 于 污 水 處 理 光 吸 收 -抗 紫 外 用 于 電 磁 輻 射 防 護 用 于 大 氣 污 染 用 于 大 氣 污 染 白 色 污 染 能 源 納米氧化鋅在瓷磚生產(chǎn)中 節(jié)能減排的應(yīng)用1、 納 米 粉 體 材 料 與 微 米 級 的 材 料 相 比 ， 其晶 體 生 長 動 力 學(xué) 指 數(shù) 和 激 活 能 都 比 較 小 ，因 此 在 相 同 的 燒 結(jié) 時 間 或 者 溫 度 下 ， 能 獲得 相 對 較 大 的 晶 粒 尺 寸 ；2、 納 米 粉 體 尺 寸 小 ， 表 面 積 和 表 面 原 子 所占 比 例 都 很 大 ， 具 有 高 的 能 量 狀 態(tài) ， 壓 制成 材 后 的 晶 界 能 量 高 ， 在 燒 結(jié) 過 程 中 晶 界擴 散 效 應(yīng) 強 ， 因 此 在 較 低 的 溫 度 下 燒 結(jié) 就能 達 到 致 密 化 ， 均 勻 化 的 目 的 ， 改 善 陶 瓷 材 料 的 性 能 ， 提 高 其 使 用 的 可 靠 性 。 還 可 以 從 納 米 材 料 的 結(jié) 構(gòu)層 次 上 控 制 材 料 的 成 分 和 結(jié) 構(gòu) ， 有 利 于 充 分 發(fā) 揮 陶 瓷 材料 的 潛 在 性 能 。 納米氧化鋅在瓷磚生產(chǎn)中 節(jié)能減排的應(yīng)用3、 納 米 材 料 具 有 較 高 的 導(dǎo) 熱 性 能 ， 利 用 納米 氧 化 鋅 可 顯 著 降 低 陶 瓷 材 料 的 燒 結(jié) 溫 度 ，節(jié) 約 能 源 ，4、 由 于 陶 瓷 粉 料 的 顆 粒 大 小 決 定 了 陶 瓷 材料 的 微 觀 結(jié) 構(gòu) 和 宏 觀 性 能 ， 如 果 粉 料 的 顆粒 堆 積 均 勻 ， 燒 成 收 縮 一 致 且 晶 粒 均 勻 長大 ， 那 么 顆 粒 越 小 ， 產(chǎn) 生 的 缺 陷 越 小 ， 所制 備 的 材 料 的 強 度 就 相 應(yīng) 越 強 。 納 米 ZnO粉 體 吸 附 廢 柴 油 有 害 物質(zhì) 納 米 ZnO粉 體 能 對 廢 柴 油 中 的 有 害 物 質(zhì) 如Ca， Na， Pb等 具 有 良 好 的 吸 附 效 果 , 納 米 ZnO粉 體 具 有 較 強 吸 附 能 力 主 要 是 因為 晶 粒 表 面 原 子 的 不 飽 和 性 ， 以 及 粉 體 表面 具 有 一 定 吸 附 能 力 的 新 官 能 團 如 羰 基 、羥 基 等 。 且 粉 體 表 面 帶 有 的 羥 基 或 羰 基 與油 樣 中 的 游 離 金 屬 元 素 或 不 同 氧 化 態(tài) 金 屬元 素 結(jié) 合 ， 產(chǎn) 生 一 定 的 化 學(xué) 吸 附 。 納 米 抗 菌 塑 料 塑 料 表 面 的 納 米 ZnO在 燈 光 的 照 射 下 ， 發(fā)揮 光 催 化 氧 化 作 用 ， 被 紫 外 光 激 發(fā) 后 產(chǎn)生 的 超 氧 離 子 O2-和 羥 基 自 由 基 OH能 穿透 細 菌 的 細 胞 壁 ， 破 壞 細 胞 膜 質(zhì) ， 進 入菌 體 ， 阻 止 成 膜 物 質(zhì) 的 傳 輸 ， 阻 斷 其 呼吸 系 統(tǒng) 和 電 子 傳 輸 系 統(tǒng) ， 從 而 有 效 的 殺滅 抗 菌 。 納 米 ZnO的 加 入 量 大 于 1.0%時 ,抗 菌 率 均 保 持 在 90%以 上 。 納 米 氧 化 鋅 在 橡 膠 的 應(yīng) 用 在 膠 料 配 方 中 可 用 納 米 氧 化 鋅 代 替 普 通氧 化 鋅 ， 制 膠 工 藝 條 件 不 變 ， 其 用 量 可減 少 到 使 用 普 通 氧 化 鋅 用 量 的 60%。 使 用 納 米 氧 化 鋅 的 膠 料 ， 能 改 善 膠 料 的加 工 安 全 性 ， 提 高 硫 化 膠 的 力 學(xué) 性 能 、熱 空 氣 老 化 性 能 及 紫 外 老 化 性 能 ， 從 而對 進 一 步 提 高 產(chǎn) 品 內(nèi) 在 質(zhì) 量 ， 延 長 產(chǎn) 品使 用 壽 命 起 到 促 進 作 用 。 納 米 氧 化 鋅 在 橡 膠 的 應(yīng) 用 大 多 數(shù) 光 穩(wěn) 定 劑 都 是 多 功 效 的 ， 包 括 納 米氧 化 鋅 。 實 驗 發(fā) 現(xiàn) 經(jīng) 過 一 個 月 的 自 然 填 埋實 驗 ， 添 加 納 米 氧 化 鋅 3份 的 硫 化 較 物 理 性能 有 所 降 低 ， 通 過 紅 外 光 譜 測 試 技 術(shù) 對 膠內(nèi) 部 分 子 結(jié) 構(gòu) 的 變 化 分 析 ， 初 步 認(rèn) 為 納 米氧 化 鋅 的 添 加 有 促 進 材 料 降 解 的 作 用 ， 為人 們 研 究 降 解 性 橡 膠 ， 降 低 環(huán) 境 污 染 提 供研 究 方 向 。 納 米 氧 化 鋅 在 橡 膠 的 應(yīng) 用（ 4） 當(dāng) 熱 解 處 理 納 米 氧 化 鋅 減 量 后 的 廢 膠 時 ，與 傳 統(tǒng) 廢 膠 比 較 ， 其 燃 盡 失 重 率 大 ， 傳 熱佳 ， 能 夠 更 好 地 實 現(xiàn) 減 量 化 ， 具 有 很 好 的發(fā) 展 前 景 。 ， 納 米 氧 化 鋅 在 EVA發(fā) 泡 塑 料 中的 應(yīng) 用氧 化 鋅 是 重 要 的 半 導(dǎo) 體 氧 化 物 ， 具 有 很多 優(yōu) 異 性 能 。 在 EVA的 配 方 設(shè) 計 中 ，氧 化 鋅 可 中 和 體 系 中 的 酸 性 ， 也 能 降低 AC發(fā) 泡 劑 的 分 解 溫 度 ， 增 大 發(fā) 氣 量 ，防 止 積 垢 形 成 。 納 米 氧 化 鋅 在 EVA發(fā) 泡 塑 料 中的 應(yīng) 用 納 米 氧 化 鋅 的 用 量 在 EVA發(fā) 泡 塑 料 中可 以 減 少 40%左 右 。 而 且 ， 減 量 后 的塑 料 具 有 以 下 特 點 ： 具 有 更 好 的 耐老 化 性 能 ； 更 易 紫 外 降 解 和 填 埋 處理 ； 熱 穩(wěn) 定 性 更 好 ； 焚 燒 后 減 量化 更 好 ； 鋅 的 排 放 量 更 少 ， 具 有 更好 的 環(huán) 境 效 益 。 催化活性高，穩(wěn)定，物美價廉提高催化劑活性高比表面積，孔徑均勻，活性基團豐富納 米 TiO 2-Ag改 性 VACF處 理 氨 氣 研究技術(shù)路線 試驗主裝置圖 改 性 前 改 性 后 13 基本物化參數(shù)發(fā)生變化14 對氨氣光催化降解有利15 10 20 30 40 5005 101520 253035 氨氣脫除效 率/% 氨 氣 初 始 濃 度 /ppm C氨氣初始濃度對氨氣脫除影響 16 改性VACF用量對氨氣脫除影響較高濃度氨氣的處理可通過增加改性VACF的用量17 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-505 101520 253035 氨氣脫除率 /% t/s RH=20% RH=40% RH=60% RH=80% RH=90%相對濕度對氨氣脫除影響存在最佳RH=60% 18 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-505 101520 253035 40 氨氣脫除率 /% t/s 20 25 30 35溫度對氨氣脫除影響 總體影響不大 19 載銀量對氨氣脫除影響0 20 40 60 80 100 120-202468101214161820222426氨氣脫除率/% t/s 0wt% Ag 3wt% Ag 5wt %g10 wt% Ag 15wt% Ag20 0 20 40 60 80 100 120-50510 15202530 35 NH 3脫除率/% 時 間 /s 0.022w/cm2 0.043w/cm2光照強度對氨氣脫除影響有 較 明 顯的 影 響21 22 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5 0510 152025 3035 氨氣脫除率/ % t/s A-hvB-VACFC-hv+VACFD-hv+VACF+TiO 2E-hv+VACF+TiO2-AgF-VACF+TiO2G-VACF+TiO 2-AgH-hv+TiO2-Ag AH CDEFG B納米TiO2-Ag改性VACF效率最高達32.5% 0 5 10 15 20 25 30 35 40727476788082 848688 t/min氨氣脫 除率/%改性VACF再生性實驗改性VACF穩(wěn)定性試驗 再生方法簡單易行 23 等溫吸附曲線Langmuir擬合曲線0.0221 0.0091ee eCq C 25 三種模型吸附動力學(xué)參數(shù) R2較較接近127不同實驗條件對氨氣脫除的一級擬合 模型值與實驗值更為接近 28 實 驗 值 與 模 型 計 算 一 致 性 0 10 20 30 40 500.000.010.02 0.030.040.05 0.06 r o/(ppm/s) 氨 氣 濃 度 ( ppm) 實 驗 值 模 擬 值 3 3 2 23 2 2 2 3 3 2(1 )NH NH O ONH O O O NH NHkK C K Cr k K C K C 1dC kKCr k dt KC 0.00521 1 0.0790kKC Cr KC C 簡化ln(C0/Ct)-t 一級擬合驗證實驗值與模擬基本一致 30 流速、灰塵對氣體阻力的影響31流速v=0.69m/s時VACF對氣流產(chǎn)生阻力較小 光催化層數(shù)對脫除氨氣的影響2min鐘內(nèi)過 濾 網(wǎng)紫 外 燈功 率智 能 控制 板材 料 選擇32 污染空氣處理后空氣 均 勻 布 水 器預(yù) 過 濾 網(wǎng)收 集 水 管進 水 口出 水 口 0.0221 0.0091ee eCq C 謝 謝