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纳米技术在资源利用和环境保护中的应用

供稿人:ISTIS  供稿时间:2006-10-12   关键字:纳米  资源  环境保护  
治理空气污染
利用纳米技术治理空气污染主要体现在:利用纳米材料所具有的催化活性,催化降解气体中的污染物,提高燃料的燃烧效率,从而减少废气的排放;利用纳米材料的巨大比表面积而具有的优良吸附性来吸附分离气体中的有害成分。
 
纳米粒子催化剂可分为以下几类:金属纳米粒子催化剂,包括Pt、Rh、Ag、Pd、Ni、Fe、Co等;负载型金属粒子催化剂;金属氧化物纳米粒子及其负载型催化剂,例如TiO2、CdS、ZnO等。 
 
借助太阳能这种最洁净的能源来净化大气中的NOx、甲醛、甲苯等污染物具有诱人的前景,人们开发了多种光催化材料,其中纳米TiO2对NOx、甲醛、甲苯等污染物的降解效果几乎可达到100%。
 
燃油燃烧过程中会产生多种有害、有毒气体,造成大气污染,破坏生态环境,损害人类的健康。减少尾气排气量最根本的解决方法就是改进发动机的燃烧和对燃料进行处理。燃烧效率的提高,可以通过使用更轻、更耐用的陶瓷,以减轻发动机的治疗,使发动机允许工作温度提高,燃烧更完全实现。使用纳米技术可增强套餐的强度、硬度、韧性和塑性,使用纳米陶瓷代替汽车发动机的金属汽缸已具备条件。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一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染问题。科学工作者研制的更新一代的纳米催化剂,将在汽车发动机汽缸发挥催化作用,使汽油在燃烧时就不产生CO和NOx,从而无需进行尾气净化处理。
 
另外,纳米材料因其优越的催化性能,可作为石油脱硫催化剂。工业用及车用燃料油是最大的二氧化硫污染源,燃料油中的含硫化合物在燃烧后会产生二氧化硫,所以石油炼制工业有脱硫工艺以降低汽柴油的硫含量。如在燃烧的同时加入纳米级助燃催化剂不仅可以使煤燃烧充分,不产生一氧化硫,提高能源利用率,而且还会使硫转化为固体硫化物,而不产生二氧化硫、一氧化硫等含硫有害气体。
 
利用纳米技术和纳米材料治理空气污染已经得到广泛应用,国内外都出现了很多产品,例如纳米空气净化器、中央空调净化模块、光触媒涂料等,市场前景非常广阔。据三菱综合研究所及日本经济新闻社等部门预测,2005年日本国内的光催化材料应用制品市场规模可达120亿美元,未来的潜在市场规模为1000亿美元。
水处理
传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,污水治理一直得不到好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。纳米材料与技术在水处理方面的主要应用包括:光催化法,光电催化降解、纳滤膜法等。
 
纳米过滤(nanofiltration,NF),是一种由压力驱动的新型膜分离过程,介于反渗透与超滤之间。纳滤膜的孔径范围在纳米级,其相对分子质量截留范围为数百左右。 
 
光催化降解是一项新兴的颇有发展前途的废水处理技术。常用的光催化剂有TiO2、ZnO、CdS、SnO2、Fe2O3等。迄今为止,已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解,特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时,这种技术有着明显的优势。美国、日本、英国等已有将纳米TiO2光催化技术实际应用于水处理的报道。
 
 由于纳米材料所具有的表面效应,使纳米材料具有高的表面活性、高表面能和高的比表面积,所以纳米材料在制备高性能吸附方面表现出巨大的潜力。科学家已研究出一种新型的纳米级净水剂,具有很强的吸附能力,可以100%除去水中的细菌、病毒,得到高质量的纯净水,完全可以饮用。
 
虽然利用纳米技术进行水处理目前还未得到广泛应用,但我们可以看出它未来的应用前景必将非常广阔。
杀菌消毒
日常生活中人们频繁接触的许多用品上都带有大量细菌,直接威胁着人们的健康。因此,研发高效无毒的抗菌剂是一个既有社会意义又有经济意义的课题。纳米杀菌消毒产品已走进了人们的日常生活中,已有多种纳米消毒产品面世,例如纳米杀菌剂,纳米消毒液,纳米消毒膜,纳米杀菌涂料等。
 
目前国外新型无机抗菌剂的开发与抗菌加工技术进展较快,已经形成系列化产品,其中TiO2高催化活性纳米抗菌剂是市场前景最好的品种。日本在TiO2光催化抗菌材料研究与应用起步较早,日本东陶等多家公司开发的光催化抗菌瓷砖和卫生洁具已经大量投放市场。日本将今后发展的目光投向欧美国际抗菌产品市场,预计海外市场将是其国内市场的10倍,他们也极其关注中国抗菌塑料近年来的迅猛发展,纷纷抢滩中国市场。
环境监测
随着工业生产和环境检测的迫切需要以及纳米技术的发展,纳米气敏传感器已获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。用纳米材料作为敏感材料构成的气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点:一是纳米固体材料具有庞大的界面,提供了大量气体通道,从而大大提高了灵敏度;二是大大降低了传感器工作温度;三是大大缩小了传感器的尺寸。因此,它在生物、化学、机械、航空、军事等方面具有广泛的发展前途。
 
NanoMarkets LC发布报告预测2008年全球纳米技术传感(nanotechnology sensor)市场规模将增长到28亿美元,到2012年市场规模可望达到172亿美元。报告指出,纳米传感器在军事和国防等不同市场领域都有应用,预期这个细分市场2008年将发展到8.27亿美元市场规模,2012年达到39亿美元。
清洁能源
纳米材料由于其特殊的物理和化学性能,已开始在人类寻找新能源与解决环境危机的实践中扮演着重要的角色。目前,纳米技术已开始用于太阳能电池和太阳能转化器件,镍氢电池、锂电池和燃料电池中的工作电极、离子交换器等以提高能量转化的效率。
 
利用纳米尺度的半导体材料如TiO2、ZnO、SnO2等作为太阳能电池的光电极的研究是世界范围的研究热点。纳米太阳能电池有着可以与传统固态光伏电池相媲美的高光电转换率,加之价格低廉,使这种电池具有广阔的前景和潜在的商业价值,目前已有多种原型纳米太阳能电池问世。虽然此类太阳能电池还存在一些问题,仍需进一步深入研究。但是,纳米太阳能电池以其高效低价无污染的巨大优势挑战未来,随着科技发展,研究推进,这种太阳能电池应用前景非常广阔。
 
手机等小型电子设备通常使用的锂电池具有电池容量高和工作时间长的特点,但是充电时间很长,且使用一段时间后电池功能有所下降,而采用纳米技术的新型高速充电锂电池具有高速充电和反复长时间使用的特点,因而具有很好的应用前景。日本的东芝和松下公司等都已研制出容量大、充电快的纳米锂电池。
 
氢能是取之不尽、用之不竭的清洁能源,但存储等方面的问题制约着氢能的开发利用。已有的稀土等材料由于储氢量少,应用受到限制。各国科学家已在新型储氢材料的研究上展开一场竞赛。近年来,科学家发现碳纳米材料可能是一种优异的储氢材料,由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构,其储氢数量大大超过传统的吸附储氢材料。
噪声控制
随着对纳米材料体系和各种超结构体系研究的开展和深入,将纳米技术融入噪声防治技术中,以便更有效地控制主要噪声源对环境的污染,必将是未来噪声防治技术的发展方向。目前,利用纳米技术控制噪声的实际应用还很少。

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