納米技術具有極大的理論和應用價值，納米材料被譽為“21世紀最有前途的材料”。納米技術研究在0.1~100nm尺度范圍內物質具有的特殊性能及其應用。廣義的納米材料是指在三維空間中，至少有一維達到納米尺度范圍，或以其為基本單位所構成的材料[1]。納米材料具有輻射、吸收、殺菌、吸附等特性，眾多研究表明這些新特性將在環境保護領域產生深遠的影響。本文就納米材料及其在環境保護領域的應用進行了闡述。

1 納米材料的基本性質[2,3]
1.1 表面效應
用高倍電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑為2.1~3μm）進行電視攝像，實時觀察發現這些顆粒沒有固定的形態，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體等）的晶型，既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態，尺寸大于10μm后才看不到這種顆粒結構的不穩定性，這時微顆粒具有穩定的結構狀態。

超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。

1.2 小尺寸效應
隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生特殊的光學、熱學、磁學、力學、聲學、超導電性、介電性能以及化學性能等一系列新奇的性質。

2 納米材料在大氣污染治理方面的應用
2.1 空氣中硫氧化物的凈化
二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影響人類健康的有害氣體，如果在燃料燃燒的同時加入納米級催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產生一氧化硫氣體，提高能源利用率，而且會使硫轉化成固體的硫化物。如用納米Fe2O3作為催化劑，經納米材料催化的燃料中硫的含量小于0.01%，不僅節約了能源，提高能源的綜合利用率，也減少了因為能源消耗所帶來的環境污染問題，而且使廢氣等有害物質再利用成為可能。

2.2 汽車尾氣凈化
汽車尾氣排放直接污染人們的生活空間及呼吸層，對人體健康影響極大。開發替代燃料或研究用于控制汽車尾氣對大氣污染材料，對凈化環境具有重要的意義。用納米復合材料制備與組裝的汽車尾氣傳感器[4]，通過汽車尾氣排放的監控，可及時對超標排放進行報警，并通過調整合適的空燃比，減少富油燃燒，達到降低有害氣體排放和燃油消耗的目的。納米稀土鈦礦型復合氧化物對汽車尾氣所排放的NO、CO等具有良好的催化轉化作用，可以替代昂貴的重金屬催化劑用作汽車尾氣催化劑。

2.3 室內空氣凈化
新裝修房間空氣中的有機物濃度大大高于室外，而光催化劑可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物，納米TiO2的降解效果最佳。納米TiO2經光催化產生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能與細菌細胞或細胞內組成成分進行生化反應，使細菌頭單元失活而導致細胞死亡，并且使細菌死亡后產生的內毒素分解，即利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環境中的細菌，而且能同時降解由細菌釋放出的有毒復合物[5]。在醫院的病房、手術室及生活空間安放納米TiO2光催化劑可具有殺菌、除臭作用。

3 在水污染治理方面的應用
3.1 處理無機污染廢水
污水中的重金屬對人體的危害很大，重金屬的流失也是資源的浪費。納米粒子能對水中的重金屬離子通過光電子產生很強的還原能力[6]。如納米TiO2能將高氧化態汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面，井將其還原為細小的金屬晶體，既消除了廢水的毒性，又回收了貴重金屬。

3.2 處理有機污染廢水
大量研究表明納米TiO2等作為光催化劑，在陽光下催化氧化水中的有機污染物，使其迅速降解。至今為止己知納米TiO2能處理80余種有毒污染物，它可以將水中的各種有機物很快完全催化氧化成水和CO等無害物質圖。例如Pintar等在間歇式反應器中納米Ru/TiO2作催化劑，對酸性或堿性牛皮紙漂白廢水進行光催化降解，廢水中的有機總碳TOC的去除率可達到99.6%，并使廢水完全脫色。經光催化濕空氣氧化處理后的工廠廢水對弧菌的毒性的實驗表明，用該方法處理后的工廠漂白廢水完全可以進一步生物降解。

3.3 自來水的凈化處理
新型納米級凈水劑[7]的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑Al2O3的10~20倍，能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀，然后采用納米磁性物質、纖維和活性炭凈化裝置，有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等。再經過由帶有納米孔徑的處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以100%除去水中的細菌、病毒，得到高質量的純凈水。這是因為細菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時，會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質、元素則保留下來。

4 在其它環保領域的應用
4.1 噪聲控制
飛機、車輛、船舶等發動機工作的噪聲可達上百分貝，容易對環境造成噪聲污染。當機器設備等被納米技術微型化以后，其互相撞擊、磨擦產生的交變機械作用力將大為減少，噪聲污染便可得到有效控制。運用納米技術開發的潤滑劑，既能在物體表面形成永久性的固態膜，產生極好的潤滑作用，大大降低機器設備運轉時的噪聲，又能延長設備的使用壽命[8]。

4.2 固體廢物處理
納米技術及納米材料應用于城市固體垃圾處理，主要有兩個方面[9]：一是可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末，除去其中的異物，成為再生原料回收；二是利用納米TiO2催化技術可以使城市垃圾快速降解，其速度可達到大顆粒TiO2的10倍以上，從而緩解大量城市垃圾給城市環境帶來的壓力。

4.3 防止電磁輻射
近年來電磁場對人體健康的影響問題已經成為一個新的研究熱點。在強烈輻射區工作并需要電磁屏蔽時，通過在墻內加入納米材料層或涂上納米涂料，能大大提高遮擋電磁波輻射性能。中科院理化所利用納米技術研究出了新一代手機電磁屏蔽材料，可以實現手機信號抗干擾能力，同時大大降低電磁波輻射。

4.5 在照明工程方面的應用
火力發電排放的CO2、SO2、煙塵懸浮物等會引起溫室效應、酸雨和環境污染，通過照明節電可以帶來巨大的社會、經濟和生態效益[10]。在照明工程中，最理想的節電措施是充分利用太陽光來照明，利用一些納米材料的光致發光特性是可行的辦法，白晝吸收自然光并貯存起來，晚上再直接把光射到需要的地方。這從多孔硅光致發光現象得到了驗證。

5 結語
隨著納米科技和納米材料的研究深入，特別是納米科技與環境保護和環境治理的進一步有機結合，許多環保難題將會得到解決。有理由相信，納米科技作為一門新興科學，必將對環境保護產生深遠的影響，利用納米科技解決環境污染問題將成為未來環境保護發展的必然趨勢。

參考文獻

[1] Swlli E, Morris S. Photocatalysis for water purification[J]. Water Res, 1999, 33(8): 5-7.

[2] 李泉, 曾廣斌. 納米粒子[J]. 化學通報, 1995, 6: 29-31.

[3] 李良果, 鄭慶龍, 張克. 納米粒子結構分析[J]. 化工新型材料, 1991, 19(12) : 12-13.

[4] 覃愛苗, 廖雷. 納米技術及納米材料在環境治理中的應用[J]. 中山大學學報（自然科學版）, 2004, 43(增刊): 225-228.

[5] 楊健森. 納米環保技術的發展現狀與前景[J]. 科技通報, 2002, 18(4): 340-343.

[6] 馬榮萱, 李繼忠. 納米技術及其材料在環境保護中的應用[J]. 環境科學與技術, 2006, 29(7): 112-115.

來源：[ ]機電之家·機電行業電子商務平臺！

標簽：納米材料及其環保