第一篇：納米粘土礦物在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用2

納米粘土礦物在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：粘土礦物是顆粒直徑小于0.1mm的含水層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物。其結(jié)構(gòu)使其有著催化性，離子交換性，分散性等特殊的性質(zhì)而引起人們廣泛的關(guān)注和研究的對(duì)象。本文重點(diǎn)介紹了粘土礦物及其特性，在治理空氣污染、水污染、固體廢物污染、噪聲污染等方面的用途。并闡述了納米粘土礦物未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：納米材料，粘土礦物, 環(huán)境治理, 污染, 硅酸鹽

Environmental Governance by Applications of Nano-clay mimeral material Abstract: Clay mineral is a kind of silicate mineral with moist layered structure whose diameter is less than 0.1mm.It has attracted many attentions and researches because of its specific characteristics such as better catalysis, ions exchange and better dispersion which are determined by its structure.This article mainly focus on the introduction of clay mineral and its features and the applications of governance of air pollution, water pollution, solid waste pollution, noise pollution, etc.The future development of the clay minerals is illustrated.Key words: nano material, clay mineral, environmental governance, pollution, silicate

隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，甚至影響到人們的正常生活。環(huán)保問(wèn)題正逐漸引起我們的重視。由于環(huán)境污染物的消除需要消耗大量的能源，這給日益枯竭的能源提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尋找一種較為廉價(jià)的環(huán)境凈化材料，降低污染物的處理成本，提高凈化效率，已成為環(huán)境保護(hù)中亟待解決的問(wèn)題。納米粘土礦物的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附性能和離子交換性能，在廢水、廢氣及土壤修復(fù)等眾多環(huán)境治理領(lǐng)域表現(xiàn)[1]出廣闊的應(yīng)用前景。

1.納米材料

納米材料廣義上是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或者由該尺度范圍的物質(zhì)為基本結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成的材料的總稱。由于納米尺寸的物質(zhì)具有與宏觀物質(zhì)所迥異的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，因而納米材料具有異于普通材料的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能。納米材料可應(yīng)用于工程、催化、精細(xì)化工、涂料等方面[2]。

根據(jù)物理形態(tài)可將納米材料大致分為納米粉末（納米顆粒）、納米纖維（納米管、納米線）、納米膜、納米塊體和納米相分離液體等五類。

根據(jù)結(jié)構(gòu)可劃分為，零維納米材料，即三維尺寸均為納米量級(jí)的納米粒子或人造原子、一維納米材料（具有纖維結(jié)構(gòu)）、二維納米材料（具有層狀結(jié)構(gòu)）、三維納米材料。

按化學(xué)組分可劃分為納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復(fù)合材料。

按應(yīng)用可分為納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲(chǔ)能材料等。

按材料物性可分為納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性光學(xué)材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料、納米熱電材料等。

2.粘土礦物簡(jiǎn)介

粘土礦物是顆粒直徑小于0.1mm的含水層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物，硅、鋁、氧是其中最主要的元素。其結(jié)構(gòu)單元層是由[SiO4]四面體與[AlO6]八面體彼此以3個(gè)角頂相連，從而形成二維延展的網(wǎng)層即四面體片。鋁氧八面體共用邊角形成了八面體。這些硅氧四面體片和鋁氧八面體片又共用氧原子，將不同的片結(jié)合在一起。形成層狀結(jié)構(gòu)。按其連接方式的不同把粘土礦物分為1:1和2:1兩種結(jié)構(gòu)類型，前者如高嶺石，基本式為Si4Al4O10(OH)8，各單元層間距小，小分子或陽(yáng)離子很少有機(jī)會(huì)進(jìn)入層際空隙中，故層際通常不發(fā)生離子交換，而是在粘土的表面和邊、角發(fā)生；后者如蒙脫石、伊利石、凹凸棒石及云母類等，其基本式為Si3Al4O20(OH)4?nH2O，由于同晶置換，這兩種類型的粘土礦的離子交換除在層面的邊、角上發(fā)生，更多是由于層際間的陽(yáng)離子交換而形成。粘土礦物結(jié)構(gòu)單元層內(nèi)部因發(fā)生離子的類質(zhì)同象置換，比如四面體中Si4+被Al3+置換，八面體重Al3+被Fe2+、Mg2+置換，從而使其單元層表面具有電性。此外，粘土礦物顆粒細(xì)小，比表面積大，因而，粘土礦物會(huì)表現(xiàn)吸附性、離子變換性、膠體性、分散性和催化性，這些特性在環(huán)境污染處理中具有十分重要意義。

粘土礦物的基本結(jié)構(gòu)包括五個(gè)層次：

（1）Si-O構(gòu)成的四面體或Al(Mg)-O(HO)構(gòu)成的八面體；

（2）由第一個(gè)層次的四面體和八面體連接成四面和八面體結(jié)構(gòu)片；（3）結(jié)構(gòu)片按比例組成的結(jié)構(gòu)單元層；

（4）結(jié)構(gòu)單元層在c軸方向上按一定間隔壘砌構(gòu)成不同的粘土礦物并形成層間域，層間域空間中有時(shí)是空的，有時(shí)填充水分子或同時(shí)被陽(yáng)離子和水分子填充，不同粘土礦物的層間域厚度是不同的，如高嶺石和綠泥石是固定的；蒙脫石的層間域厚度是可變的；

（5）一個(gè)結(jié)構(gòu)單元層加一個(gè)相鄰的層間域，構(gòu)成粘土礦物的單位構(gòu)造層，不同種類的粘土礦物，單元構(gòu)造層的厚度不同。

3.粘土礦物的特性[3]

3.1分散性和膠體性

粘土顆粒因?qū)娱g類質(zhì)同象置換表面具有永久電負(fù)性，而其端面斷鍵也會(huì)使粘土顆粒具有可變電性。粘土顆粒在水體系中的穩(wěn)定性主要取決于這些電性所引起的雙電層結(jié)構(gòu)特征，而雙電層結(jié)構(gòu)會(huì)因電解質(zhì)或pH值作用發(fā)生的變化。因此，粘土顆粒在水體系中的分散和絮凝可以通過(guò)添加電解質(zhì)或調(diào)解pH值來(lái)加以控制。利用粘土礦物的這些性質(zhì)，可以表面吸附、混凝、沉淀污水中的污染物，達(dá)到治理污染的目的。

3.2 催化性

粘土礦物因具有很大的表面積，適宜的孔徑及表面酸性，從而表現(xiàn)出良好的催化性。粘土礦物經(jīng)酸化處理后，能夠大大改善其催化活性。因?yàn)椋?jīng)酸化后，不僅可以引起粘土礦物組分和結(jié)構(gòu)的變化，而且能夠提高其比表面積、改善其孔徑分布、增強(qiáng)其表面吸附性。3.3 離子交換性

粘土礦物層間具有永久電負(fù)性，為保持結(jié)構(gòu)單元層電價(jià)平衡，在其結(jié)構(gòu)層間會(huì)吸附一定量的陽(yáng)離子，而這些層間陽(yáng)離子具有可交換的特性。陽(yáng)離子交換反應(yīng)式可表示為：

M+-Clay + A+ ? A+-Clay + M+

粘土礦物層間陽(yáng)離子交換性質(zhì)主要取決于離子電價(jià)、離子半徑大小極離子濃度等。一般而言，離子勢(shì)與離子選擇性成正比，離子濃度與離子選擇性也成正比關(guān)系。粘土礦物大都具有陽(yáng)離子交換性，但交換容量有一定差異。蒙脫石、蛭石陽(yáng)離子交換容量為80~150meq/100g，伊利石和海泡石為10~40meq/100g，高嶺石為3~15 meq/100g。粘土礦物的陰離子交換性為20~30 meq/100g。這一作用主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)單元層的端面，特別是pH較低的情況下，端面因帶一定正電荷而吸附許多無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子，如PO42-、AsO32-、SeO42-、S2-、CN-、CH3COO-等。

3.4 與有機(jī)物的復(fù)合性

粘土礦物具有與有機(jī)物符合的特殊性質(zhì)，其復(fù)合的吸附力來(lái)自于離子交換作用、范德華力、氫鍵力以及離子偶極力作用。粘土礦物復(fù)合的有機(jī)物大致可劃分為三種類型：中性分子有機(jī)物，例如NH3、SO2、醇、酮、胺、尿素等；有機(jī)陽(yáng)離子，例如烷基、羥烷基、烷酰基等；高分子聚合物，例如酶、蛋白質(zhì)、病毒、腐殖質(zhì)等，其吸附力有離子交換、范德華力和氫鍵力。粘土礦物除可以直接復(fù)合有機(jī)物外，還可以通過(guò)人工有機(jī)復(fù)合制備吸附交換性更好的有機(jī)粘土，例如有機(jī)膨潤(rùn)土。

4.納米粘土礦物在環(huán)境治理中的應(yīng)用

粘土礦物具有環(huán)境修復(fù)（如大氣、水污染治理等）、環(huán)境凈化（如殺菌、消毒、分離等）和環(huán)境替代（如替代環(huán)境負(fù)荷大的材料）等功能[4]。在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用包括：污水處理方面、土壤凈化、大氣凈化、核廢料處理、清除放射性氣體、阻止有機(jī)和無(wú)機(jī)有害物質(zhì)遷移等[5]。

目前粘土主要作為粘結(jié)劑、吸水劑、吸附劑、催化劑、絮凝劑等廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、化工、和環(huán)保的各個(gè)領(lǐng)域。為了提高其附加值, 使用前往往要對(duì)天然粘土進(jìn)行改性。改性方法、機(jī)理、工藝及條件已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[6]。

4.1空氣污染[7]

4.1.1 室內(nèi)空氣污染

室內(nèi)空氣污染主要來(lái)自裝飾材料中的人工合成高分子材料。物質(zhì)主要包括甲醛(HCHO)、氨、苯、氡等，對(duì)人體危害嚴(yán)重，并會(huì)引發(fā)鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系統(tǒng)癌癥。對(duì)于上述幾種有害物質(zhì), 以沸石、坡縷石、海泡石、膨潤(rùn)土、累托石等粘土礦物為載體的載銀無(wú)機(jī)抗菌劑可以起到良好的作用效果。目前開(kāi)發(fā)的以多孔結(jié)構(gòu)粘土礦物為載體的無(wú)機(jī)抗菌劑已成功應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化, 并對(duì)病菌及其分泌物毒素均有較強(qiáng)的殺滅和降解作用。

由于坡縷石、海泡石、沸石、膨潤(rùn)土、累托石等為典型的天然納米粘土礦物材料, 基于其特有的孔道結(jié)構(gòu)、晶體表面生長(zhǎng)缺陷的發(fā)育和納米級(jí)尺寸效應(yīng),經(jīng)充分分散處理后具有大比表面積和超強(qiáng)吸附性。如以纖維狀坡縷石、海泡石、沸石制作的環(huán)保型特種多功能紙不僅具有難燃、阻燃效果, 而且能有效地吸附室內(nèi)空氣中的氮氧化物(NOx)和有害極性氣體, 應(yīng)用于空氣凈化的超細(xì)濾膜紙, 由于海泡石、坡縷石的強(qiáng)防輻射屏蔽性, 其開(kāi)發(fā)的壁紙材料可有效防止建筑墻體氡氣的析出。

4.1.2城市空氣污染

城市空氣污染主要來(lái)源于汽車尾氣的排放，其中包括NOx、金屬排放物排放。無(wú)鉛汽油的使用使得汽汽車排放的鉛金屬陽(yáng)離子的危害大為減少，同時(shí)三元催化油的使用使得汽油燃燒的NOx排放量顯著減少。

青石可以用來(lái)吸收汽車尾氣，其結(jié)構(gòu)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)含鋁硅酸鹽，其四面體結(jié)構(gòu)存在著[AlO4]對(duì)[SiO4]的置換以及配位多面體中金屬陽(yáng)離子的類質(zhì)同象置換，活性強(qiáng)，同時(shí)具有極好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。國(guó)外用粘土礦物制成汽車排氣管、過(guò)濾器, 主要是充分利用粘土礦物的吸附性。用粘土礦物代替活性炭可降低卷煙中含有的焦油、自由基、尼古丁等對(duì)人體的危害。4.1.3 工業(yè)廢氣治理

工業(yè)廢氣是我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源，主要包括：CO2、SO2、粉塵等。由于有害氣體多為酸酐, 大部分能溶于水, 因而可用呈堿性的粘土礦物與酸酐發(fā)生中和, 從而吸收酸酐, 達(dá)到清除廢氣的目的。對(duì)于不溶于水的酸酐,可先轉(zhuǎn)化為溶于水的酸酐, 再用上述方法處理, 此外利用粘土礦物, 如沸石、海泡石、膨潤(rùn)土、坡縷石、高嶺土、累托石以及其改型后的多孔狀礦物作吸附劑也可排除有害氣體, 凈化環(huán)境。

4.1.4 大氣凈化

蒙脫石、海泡石、坡縷石及高嶺石等因比表面積大、吸附性強(qiáng)，作為吸附過(guò)濾材料廣泛應(yīng)用于空氣污染的凈化。這些礦物經(jīng)簡(jiǎn)單的處理之后，即可用于臭氣、毒氣及有害氣體如NOx、SOx、H2S等的吸附過(guò)濾?，F(xiàn)已成功地用其迅速、有效的去除與腐爛變質(zhì)物臭氣有關(guān)的1，4-丁二胺和1，5-戊二胺以及包含排泄物臭氣中的吲哚、丁烷一類氣體。實(shí)驗(yàn)證明，在含氨為100×106/m3氣體中放置40個(gè)海泡石，可使氨的濃度降至18×106/m3。4.2水污染

粘土礦物主要用于生活和化工用水過(guò)濾、重金屬離子從Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等的去除，印染廢水（陽(yáng)離子染色分子）和有機(jī)污染物的吸附以及陰離子PO43-、SO42-的去除。

目前, 用于污水處理的主要是膨潤(rùn)土、凹凸棒石、坡縷石、海泡石、硅藻土等幾種[8]。膨潤(rùn)土對(duì)廢水中有極性結(jié)構(gòu)的非離子型表面活性劑有較強(qiáng)的吸附能力，每克膨潤(rùn)土可吸附200-300mgCODcr。對(duì)于無(wú)極性的非離子表面活性劑，用2%的投加量可使CODcr濃度為1000mg/L左右的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。將無(wú)機(jī)鈉鹽與膨潤(rùn)土按照一定比例制成的HB絮凝劑加入到味精廢水中，能吸附廢水中的有機(jī)污染物，使廢水中的COD大大降低。用明礬和膨潤(rùn)土作為吸附—徐寧劑處理再生紙廢水中的COD和懸浮物，也可使排放出的廢水由堿性變?yōu)橹行訹9]。將膨潤(rùn)土與CaCl2無(wú)機(jī)鹽制成混合物，按5g/L的量加入印染廢水中，可以除去九成的燃料和八至九成的表面活性劑。

蒙脫石可以用來(lái)吸附Pb2+、Cd2+及Cr(III)，即用蒙脫石—聚合氯化鋁交聯(lián)處理廢水中的重金屬，可進(jìn)一步改善去除效果并提高固—液分離速度，是低濃度廢水中Pb2+等的去除率達(dá)到93.1%。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)酸化的蒙脫石出去廢水中的重金屬離子效果更佳。

凹凸棒石可以凈化處理印染廢水，投加量為10-12g/L，pH=6-10，反應(yīng)時(shí)間為10min，COD去除率達(dá)74%，色度去除率大93%，凈化效果與常用的聚合氯化鋁、硫酸鋁、硫酸亞鐵等相比均有明顯的提高。經(jīng)活化的凹凸棒石粘土可以處理鈾。采用動(dòng)態(tài)法(交換柱)處理含鈾廢水，效果良好，鈾的去除率在99.95%以上。膨潤(rùn)土等粘土礦物經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)改性，可用來(lái)處理含有機(jī)物廢水。膨潤(rùn)土、硅石、凹凸棒石、海泡石等粘土礦物可直接利用或經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)幕罨男蕴幚?，也可用?lái)處理含重金屬離子廢水，獲得了較好的效果。經(jīng)預(yù)處理的海泡石、凹凸棒石等以吸附與離子交換法可以降氟除磷，同時(shí)有利于降低廢水處理成本，減少污泥產(chǎn)生量，重復(fù)利用資源。

4.3固體廢物污染

固體廢物主要指工業(yè)廢物、礦業(yè)廢物和城市生活廢物等。工業(yè)廢棄物可通過(guò)二次加工燒成可制成新型建筑材料，如混凝土外加劑用超細(xì)礦粉、微晶玻璃等。城市生活固體廢棄物主要是指在城市日常生活中或者為城市日常生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢棄物，即城市生活垃圾，主要包括居民生活垃圾、醫(yī)院垃圾、商業(yè)垃圾、建筑垃圾。礦業(yè)廢物指開(kāi)采和選洗礦石過(guò)程中產(chǎn)生的廢石和尾礦。

對(duì)于固體廢棄物中含有的放射性元素?？衫梅惺⑴驖?rùn)土、累托石、坡縷石、海泡石等一些高吸附性材料來(lái)吸附、過(guò)濾放射性氣體和空氣中具有放射性的塵埃。粘土礦物也可作為一種固化劑，“礦物固相法”是放射性固體廢棄物處理的十分重要和行之有效的方法，例如沸石加熱發(fā)泡、融化、可固化核廢料。坡縷石、海泡石也是屏蔽輻射的常規(guī)密封材料。4.4 噪聲污染

隨著對(duì)噪聲危害認(rèn)識(shí)的提高，噪聲已與“三廢”并列為環(huán)境“四害”之一。硅藻土、浮石、蛭石、珍珠巖等具有良好的消聲隔音性能，尤其是膨脹蛭石吸引系數(shù)可達(dá)0.53-0.73，隔音能力為40-50dB，經(jīng)常用作汽車減音器和隔音泥灰。

4.5 粘土礦物在其他方面的應(yīng)用

粘土礦物可治理土地荒漠化：荒漠化的顆粒較粗，一般呈細(xì)砂、粉砂狀，無(wú)粘性，深水性強(qiáng)，而粘土礦物的顆粒極細(xì)，有較強(qiáng)的膨脹性、粘性吸水性，兩者混合均拌勻, 即可變成能保水的種植土。而且粘土礦物一般含有許多有利于動(dòng)、植物生長(zhǎng)的成分, 可以為動(dòng)、植物提供多種營(yíng)養(yǎng),從而達(dá)到采用粘土礦物治理沙漠的目的[10]。

粘土礦物因其導(dǎo)熱系數(shù)低，分散性高，以及特有的微孔結(jié)構(gòu)等，適用于研制開(kāi)發(fā)保溫涂料等多種保溫材料。保溫材料的開(kāi)發(fā)具有重要的“綠色意義”。20世紀(jì)80年代以來(lái)海泡石復(fù)合硅酸鹽保溫材料發(fā)展迅速。利用纖維狀海泡石和粘土狀海泡石為主要原料，研制的新型保溫隔熱涂料常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.079W/(m·K)。以坡縷石為主要原料的SM復(fù)合硅酸鹽保溫涂料，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)小于0.05W/(m·K)。

伊利石具有較好的化學(xué)惰性、電絕緣性、絕熱性及隨溫度升高體積膨脹的特性，可作為一種新型的傳壓介質(zhì)材料。其特性在某些方面由于葉臘石，其鈦、鐵雜質(zhì)可成為合成金剛石的有益添加劑，同時(shí)所需和成功率下降，利于節(jié)能[9]。

過(guò)濾清除放射性氣體及塵埃；坡縷石、海泡石、蒙脫石等用作陽(yáng)離子交換劑凈化被放射性污染的水體；也可用作危險(xiǎn)廢物的鎮(zhèn)定劑，對(duì)放射性物質(zhì)永久性吸附固化；以及機(jī)房中軟X射線的吸收等方面。蒙脫石、海泡石、坡縷石等現(xiàn)已廣泛用于油污廢塑料、城市垃圾等處理，阻止無(wú)機(jī)或郵寄有害物遷移[9]。

粘土礦物對(duì)地質(zhì)作用和地質(zhì)環(huán)境的變化反應(yīng)敏感，還可用于巖相古地理、古氣候、古環(huán)境、地層對(duì)比和成巖成礦條件的研究和回復(fù)。另外，深海中的粘土礦物和深海軟泥存在于非常獨(dú)特的環(huán)境，有著獨(dú)特的潛在應(yīng)用價(jià)值。從環(huán)境角度考慮，深海中的粘土和碳酸鹽的利用有可能要早于其他礦產(chǎn)資源。

由于粘土礦物有著獨(dú)特的物理化學(xué)性能，作為較理想的載體材料已廣泛受到人們的關(guān)注，發(fā)展相當(dāng)迅速，特別是膨潤(rùn)土、凹凸棒石、海泡石、蛭石等。目前采用離子交換法已經(jīng)成功地制備了載銀膨潤(rùn)土、載銀凹凸棒石、載銀海泡石和銅型蛭石等無(wú)機(jī)抗菌劑，其抗菌效果良好，可制成抗菌制品。

還有一些粘土礦物有抗紫外線能力，比如伊利石，可作為化妝品。伊利石無(wú)毒無(wú)臭，質(zhì)軟滑膩，且呈絲絹光澤，分散性好，附著力強(qiáng)，其pH值一般為6~7，化學(xué)性能穩(wěn)定，礦物組分簡(jiǎn)單，不含對(duì)人體有害的成分[9]。

5.納米粘土礦物的未來(lái)及研究發(fā)展方向

由于粘土礦物的資源豐富，價(jià)格便宜并且有著優(yōu)越的物理和化學(xué)性能，被越來(lái)越多的應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中。除少數(shù)粘土礦物，如石棉外，大多說(shuō)天然產(chǎn)出的礦物材料基于其不同的性能在不同領(lǐng)域起著環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理的作用，它們皆可認(rèn)為是環(huán)境礦物材料。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)環(huán)境條件要求的提高，粘土礦物材料的應(yīng)用將越來(lái)越廣，其作用也越來(lái)越重要，如在節(jié)能保溫材料方面、在降噪隔聲方面、在無(wú)形磁波污染控制方面、在自然災(zāi)害防治方面、在太陽(yáng)能材料應(yīng)用方面、在傳動(dòng)系統(tǒng)減震方面、在新型抗菌材料方面、在人體健康材料方面等都起著不可缺少、甚至不可替代的作用。

未來(lái)粘土礦物的研究方向：研究粘土礦物材料的成分、結(jié)構(gòu)和性能之間的相互關(guān)系；研究粘土礦物材料在外界作用力下的成分、結(jié)構(gòu)和物化性能變化及變化規(guī)律；研究粘土礦物材料的深加工、處理方法，包括提純和改性；研究粘土礦物材料的自然形成條件及人工合成方法和技術(shù)參數(shù)；研究設(shè)計(jì)和制備新的礦物材料和功能復(fù)合材料；研究粘土礦物材料的應(yīng)用技術(shù)和應(yīng)用方法[7]。

參考文獻(xiàn)：

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第二篇：納米粘土礦物材料在環(huán)境治理領(lǐng)域中的應(yīng)用

納米粘土礦物材料在環(huán)境治理領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘 要：粘土礦物具有許多優(yōu)異性能,其中比表面積大、吸附能力強(qiáng)、陽(yáng)離子交換能力強(qiáng)等特性使粘土礦物作為一種優(yōu)良的環(huán)境材料而成為廣大環(huán)保工作者所重視和研究的對(duì)象。文章對(duì)粘土礦物及納米粘土礦物在污水處理、空氣污染處理、土壤凈化和固體廢棄物處理及其他環(huán)境治理方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述, 并提出粘土礦物在環(huán)境治理研究方面的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：粘土礦物；納米粘土；環(huán)境治理；

Applications of nano Clay Mineral Materials to Environment Treatment

Abstract: The clay minerals,as a kind of fine environmental remediation materials, attracts researchers 'attentions.Because they have many excellent characteristics, such as high specific surface area, strong adsorption capacity and better cation exchange ability.This paper expounds applications of clay minerals and nano clay minerals that are widely used in the waste water，air pollution controlling,soil sanitation and solid waste treatment Moreover the research and development trend of clay minerals are brought forward.Key words：clay mineral;nano clay mineral;environment treatment;

隨著工業(yè)文明的迅猛發(fā)展，人類對(duì)環(huán)境的污染和破壞達(dá)到了足以威脅自身生存和發(fā)展的程度。由于環(huán)境污染物的消除需要消耗大量的能源，這給日益枯竭的能源提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尋找一種較為廉價(jià)的環(huán)境凈化材料，降低污染物的處理成本，提高凈化效率，已成為環(huán)境保護(hù)中亟待解決的問(wèn)題。層狀粘土礦物的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附性能和離子交換性能，在廢水、廢氣及土壤凈化等眾多環(huán)境治理領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文就粘土礦物材料在環(huán)境治理領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

1.粘土礦物材料與納米粘土

粘土是一類廣泛存在于土壤中的物質(zhì), 由于長(zhǎng)期處于特定的環(huán)境條件下, 粘土礦物具有許多優(yōu)越的特性，例如巨大的比表面積，良好的吸附性能，較高的吸附容量和離子交換能力，膨脹性、分散性、凝聚性、稠性、粘性、觸變性和可塑性, 具有環(huán)境修復(fù)(如大氣、水污染治理等)、環(huán)境凈化(如殺菌、消毒、分離等)和環(huán)境替代(如替代環(huán)境負(fù)荷大的材料等)功能[2]。粘土中常見(jiàn)的礦物有：高嶺石、蒙脫石、凹凸棒石、海泡石、伊利石、綠泥石等硅酸鹽類化合物和由硅藻類微生物骨骸緊密堆積而成的硅藻土，以及層狀雙金屬氫氧化物類化合物水滑石等礦物。

粘土礦物是顆粒細(xì)小(＜0.1mm)的含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，其結(jié)構(gòu)單元層是由Si-O四面體片Al-O八面體片按不同的規(guī)律連結(jié)起來(lái)而構(gòu)成，按其連接方式的不同把粘土礦物劃分為1:1和2:1兩種結(jié)構(gòu)類型，前者如高嶺石，后者如蒙脫石、伊利石、凹凸棒石等。粘土礦物結(jié)構(gòu)單元層內(nèi)部因發(fā)生離子的類質(zhì)同象置換，比如四面體中Si4+被Al3+置換，八面體中

[1]Al3+被Fe2+、Mg2+置換，從而使其單元層表面具有電性。此外，粘土礦物顆粒細(xì)小，比表面積大，并且，粘土礦物具有吸附性、離子變換性、膠體性、分散性和催化性，這些特性在環(huán)境污染處理中具有十分重要意義[3]。

納米材料按其結(jié)構(gòu)可以分為四類：具有原子蔟和原子束結(jié)構(gòu)的稱為零維納米材料、具有纖維結(jié)構(gòu)的稱為一維納米材料、具有層狀結(jié)構(gòu)的稱為二維納米材料、晶粒尺寸至少三個(gè)方向在100nm范圍內(nèi)的稱為三維納米材料，以及以上各種形式的復(fù)合材料。層狀硅酸鹽粘土、金屬氧化釩、二硫化鉬等可以經(jīng)過(guò)相應(yīng)的工藝處理制成納米復(fù)合材料，尤其是層狀粘土與聚合物納米雜化復(fù)合材料因性能優(yōu)越、成本較低具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景而受到廣泛的關(guān)注[4]。與普通改性材料不同，納米粒子具有特殊的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等。將純化后的粘土插層為納米粘土后，在聚酯中分散成剝離型的納米粘土。將粘土的層狀特性改性成高比表面積的結(jié)構(gòu)，從而提高了聚酯的力學(xué)性能、光學(xué)性能、阻隔性能等。目前用于納米復(fù)合材料的粘土主要為膨脹型粘土，包括層間可交換陽(yáng)離子粘土如膨潤(rùn)土、鋰皂石、凹凸棒土、海泡石和可交換陰離子粘土如水滑石等[4]。礦物材料在環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代初日本學(xué)者山本良一首先提出環(huán)境材料的概念之后，世界各國(guó)掀起了開(kāi)發(fā)環(huán)境材料的熱潮。到目為止，環(huán)境材料主要指：可循環(huán)利用材料、凈化功能材料潔凈能源材料、節(jié)能型材料。粘土礦物具有多孔、吸附離子交換等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，近幾年，其在環(huán)境材料面的研究與應(yīng)用越來(lái)越多，特別是在污水處理、大氣吸附過(guò)濾脫色、生態(tài)建材(如具有保溫、隔熱、吸音、調(diào)光等能)、抗菌消毒劑、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用都有顯著進(jìn)展

[6-7][5]。

目前，粘土礦物在環(huán)境方面的應(yīng)用主要是利用了粘土礦物的物理性質(zhì)：較大表面積，吸附性能好。主要應(yīng)用在空氣污染處理、污水處理、土壤凈化和固體廢棄物處理及其他環(huán)境治理方面的應(yīng)用等方面。

2.1污水處理中的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水越來(lái)越多，嚴(yán)重污染水體，破壞生態(tài)環(huán)境，威脅人類的健康和生存，為使廢水(污水)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，人們已研究出了多種處理方法

2.1.1含重金屬離子廢水處理

SenGupta和Bhattacharyya[8]分別利用聚羥基鋯和四丁基衍生物對(duì)高嶺石和蒙脫石進(jìn)行改性，用于去除水中的Cd。發(fā)現(xiàn)溶液的pH對(duì)吸附量的影響較大，而蒙脫石去除效果最佳，蒙脫石的吸附容量為高嶺土的3倍以上。沈?qū)W優(yōu)等比較膨潤(rùn)土、高嶺土和伊利石對(duì)重金屬離子Cu、Zn、Cd、Ni。的處理效果。結(jié)果表明，膨潤(rùn)土〉高嶺土〉伊利石。Alvarez-Ayuso和GarciaSanchez[10]利用鈉交換的膨潤(rùn)土和鈣交換的膨潤(rùn)土去除溶液中的Cr，吸附容量分別為49.8mg/g和44.4mg/g。吳平霄等

[11]

[9]

研究了高嶺土/胡敏酸形成的有機(jī)一無(wú)機(jī)絡(luò)合復(fù)合體對(duì)Cu、Cd和Cr的吸附。結(jié)果表明，胡敏酸對(duì)高嶺土改性后能提高上述3種重金屬離子的吸附性能，高嶺土/胡敏酸復(fù)合體對(duì)3種重金屬離子的吸附量都隨pH值的升高而增加，隨離子強(qiáng)度的增加而減小。選用Cu、Cd和Cr的初始濃度均為64mg/L，pH為5，離子介質(zhì)為0.05mol/l時(shí)，高嶺土/胡敏酸復(fù)合體的吸附量分別為Cu為64%，Cd為55%和Cr為80%。

2.1.2無(wú)機(jī)非金屬?gòu)U水

范麗珍等[12]選用鈣基蒙脫石，經(jīng)鈉化改性后用作氟離子吸附劑，研究表明改性蒙脫石具有很強(qiáng)的吸附氟離子的能力，在pH為5和4時(shí)的除氟效果最好。孫承轅等[13]根據(jù)凹凸棒粘土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及較強(qiáng)的吸附能力，對(duì)含氟溶液進(jìn)行了多次除氟實(shí)驗(yàn)，取得了明顯效果，在F10×10的溶液中，其除氟率可達(dá)到50%以上，對(duì)除氟改水工作具有很大的應(yīng)用價(jià)值。鄭紅等[14]研究了用AlCl3包覆后膨潤(rùn)土除氟的性能和適宜條件，在實(shí)驗(yàn)條件下，吸附率最高可達(dá)96.5%，酸性環(huán)境有利于吸附過(guò)程進(jìn)行。馬林轉(zhuǎn)等[15]利用稀土元素La及Al聚合羥基離子改性膨潤(rùn)土(La/Al—PILC)，在溫度為30℃，PH 3～5，磷質(zhì)量濃度為6.54mg/L，吸附劑質(zhì)量濃度為2.5g/L的條件下對(duì)磷的去除率能達(dá)99%以上。

2.1.3有機(jī)廢水

AichaKheni等[16]研究發(fā)現(xiàn)十六烷基甲基溴化銨(CTAB)改性膨潤(rùn)土對(duì)水溶液中2，4一二氯苯酚和具有較好的吸附性能。Hasan Basri Senturk等[17]發(fā)現(xiàn)利用CTAB改性膨潤(rùn)土對(duì)水溶液中的苯酚也具有很好的吸附效果。武庭瑄等[18]研究了四環(huán)素在膨潤(rùn)土和高嶺土中的吸附行為，結(jié)果表明：膨潤(rùn)土和高嶺土對(duì)四環(huán)素的吸附行為均可用Freudli—ch等溫方程描述，但Kf(膨潤(rùn)土)>>Kf高嶺土，說(shuō)明膨潤(rùn)土對(duì)四環(huán)素吸附能力較高嶺土強(qiáng)。裘祖楠等

[19]-6-

5研究了以活化凹凸棒石作主要組分的吸附劑對(duì)陽(yáng)離子染料生產(chǎn)廢水的處理效果，脫色率和CODCr去除率可分別達(dá)到87.5%～99.8%和45.1%～72.3%，且再生處理簡(jiǎn)單，非常適用于該類廢水的預(yù)處理。彭書傳等[20]將凹凸棒石有機(jī)改性后，用于去除水中的苯酚，在PH為8.0，苯酚濃度為100mg/L，投加量為4%時(shí)，去除率可達(dá)到88.5%，且吸附劑經(jīng)再生后可反復(fù)使用。

2.2礦物材料在治理空氣污染中的應(yīng)用

大氣污染系指由于人類活動(dòng)和自然過(guò)程引起某種物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)足夠的濃度，達(dá)到足夠的時(shí)間，并因此而危害了人體健康，舒適感或環(huán)境。大氣污染物按其存在狀態(tài)可分為氣溶膠污染物和氣態(tài)污染物兩大類。其中氣態(tài)污染物在一定的條件下可轉(zhuǎn)化為氣溶膠態(tài)污染物，氣態(tài)污染物包括了以二氧化硫?yàn)橹鞯暮蚧衔?，以氧化氮和二氧化氮為的含氮化合物、碳的氧化物、碳?xì)浠衔锛胞u素化合物。2.2.1工業(yè)廢氣治理

工業(yè)廢氣是我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源，僅建筑材料的生產(chǎn)每年排出廢氣10.96億立方米；廢水排放量355億噸；其中水泥、與傳統(tǒng)墻體材料等每年排放的CO2量約為6.6億噸，占全國(guó)工業(yè)排放CO2量的40%左右。據(jù)資料介紹，我國(guó)目前每生產(chǎn)一噸水泥熟料要排放1噸CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉塵；每生產(chǎn)1噸石灰排放1.18噸CO2。

由于有害氣體多為酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈堿性的礦物與酸酐發(fā)生中和，從而吸收酸酐，達(dá)到清除廢氣的目的。石灰石（方解石）、生石灰、方鎂石、水鎂石、坡縷石等均屬此類礦物材料，如日本用方鎂石、水鎂石吸收SO2、SO3廢氣：

MgO+SO2+H2O→MgSO3+H2O Mg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2O Mg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2O 對(duì)于不溶于水的酸酐，可先轉(zhuǎn)化為溶于水的酸酐，再用上述方法處理，此外利用粘土礦物，沸石以及改型后的多孔狀礦物作吸附劑也可排除有害氣體，凈化環(huán)境。如斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石、坡縷石、海泡石、膨潤(rùn)土、高嶺石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。2.2.2城市空氣治理

城市空氣污染主要來(lái)源于汽車尾氣的排放，其中包括NOx、金屬排放物，如Pb等排放，隨著現(xiàn)代大中城市之無(wú)鉛汽油的使用，由汽車排放的鉛金屬陽(yáng)離子的危害大為減少，同時(shí)三元催化油的使用與使得汽油的燃燒NOx排放量的顯著減少。以青石為主體的三元催化劑載體得到了廣泛的應(yīng)用。青石為環(huán)狀結(jié)構(gòu)含鋁硅酸鹽。四面體中存在著[ALO4]對(duì)[SiO4]置換以及配位多面體中金屬陽(yáng)離子的類質(zhì)同像置換，活性強(qiáng)，同時(shí)具有極好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。日本近來(lái)利用高溫?zé)岱€(wěn)定性好，同時(shí)吸附能力強(qiáng)的海泡石制作高效汽車尾氣凈化器，由于汽車排放氣體有害萬(wàn)分主要為NOx，以納米質(zhì)多孔石或銳鈦石為主要成分的光觸媒凈化涂料得到廣泛應(yīng)用。2.2.3室內(nèi)空氣污染

短期的空氣污染主要表現(xiàn)在甲醛、氨、苯等早期釋放強(qiáng)濃度的危害。空氣中甲醛（HCHO）超標(biāo)對(duì)人體的危害是非常嚴(yán)重的，并且這種危害具有長(zhǎng)期性、潛伏性、隱敝性，嚴(yán)重的會(huì)引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系統(tǒng)癌癥。甲醛可經(jīng)呼吸道吸入，其溶液“福樂(lè)馬林”可經(jīng)消化道吸收。當(dāng)空氣中含量達(dá)到30mg/m3時(shí)，可導(dǎo)致人當(dāng)即死亡。氨是冬季混凝土施工外加劑的釋放物。國(guó)家規(guī)定居住區(qū)的安全氨濃度為小于0.2 mg/m3。氨濃度過(guò)高時(shí)，除皮膚腐蝕作用外，還可通過(guò)三叉神經(jīng)末梢的反射作用引起心臟停搏和呼吸停止。氨以氣體形式吸入人體肺后，容易通過(guò)肺細(xì)胞進(jìn)入血液與血紅蛋白結(jié)合，破壞運(yùn)氧功能。

以銳鈦礦型納米TiO2光觸媒凈化器已有效于應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化，其作用機(jī)理為在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同時(shí)生成電子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空氣中的O2還原。

H2O + h+→·OH+H+

O2+ e-→O2-OH基團(tuán)的氧化能力很強(qiáng)，對(duì)有機(jī)物以及甲醛、萘、苯酚等進(jìn)行氧化分解，最終生成CO2和水及NH3·OH。并對(duì)病菌及其分泌物毒素均有較強(qiáng)的殺滅和降解作用。以沸石、坡縷石、海泡石多孔結(jié)構(gòu)為載體的載銀無(wú)機(jī)抗菌劑也產(chǎn)生相似的作用和效果。張國(guó)生等[21]利用天然凹凸棒石粘土進(jìn)行深加工研制出凹凸棒石復(fù)合分子篩，并用于凈化室內(nèi)空氣改善大氣環(huán)境，對(duì)NH3、SO2、NO2等都有較大的吸附容量。張春霞等

[22]

用改性海泡石研究了對(duì)NH3的吸附，結(jié)果表明，改性海泡石的吸附量大于未改性的，也遠(yuǎn)大于活性炭吸附量。此外，用膨潤(rùn)土、高嶺石、凹凸棒石等合成的沸石分子篩對(duì)NO2、SO2等氣體的吸附也作了許多研究。

2.3土壤凈化 在土壤中粘土礦物的作用主要是粘土礦物對(duì)土壤的自凈作用。土壤的主要污染物分有機(jī)物與無(wú)機(jī)物兩大類。無(wú)機(jī)物包括重金屬和放射性物質(zhì)，有機(jī)物要是有機(jī)農(nóng)藥、有機(jī)洗滌劑及工業(yè)廢水中的酚等。在一定的污染濃度范圍內(nèi)，土壤可以通稀釋、擴(kuò)散揮發(fā)，氧化還原反應(yīng)及絡(luò)合作用、離子交換和吸附作用而實(shí)現(xiàn)自凈。土壤自凈能力是土壤各種組分及結(jié)構(gòu)綜合作用的體現(xiàn)，粘土礦物在土壤自凈過(guò)程中起了很重要的作用，因?yàn)檎惩恋V物是土壤膠體的主體，土壤膠體的自凈作用在某種程度上是粘土礦物性質(zhì)的體現(xiàn)。

當(dāng)有毒物質(zhì)進(jìn)入土壤后，土壤膠體首先吸附帶相反電荷的離子或絡(luò)合物，如金屬離子或化學(xué)農(nóng)藥，使污染物質(zhì)的活性和擴(kuò)散性大大減弱。其次粘土礦物層內(nèi)表面不僅可吸附交換性離子，還可以把一些有毒的陽(yáng)離子吸持在層間的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)而成為固定離子，消除了污染物的毒害。

2.4固體廢棄物處理中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展和城市人口的增長(zhǎng),環(huán)境保護(hù)已成為世界各國(guó)極為關(guān)注的主題。目前,在治理“三廢”工程中，由于“三廢”的成分復(fù)雜多樣，許多傳統(tǒng)工藝和傳統(tǒng)材料已不適應(yīng)，治污處理效果差。固體廢物主要指工業(yè)廢物、礦業(yè)廢物和城市生活廢物等。

目前對(duì)于固體廢棄物有三種處理方式：即再生利用、焚燒、填埋。

工業(yè)廢渣多數(shù)為可利用的二次資源，如粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾礦等。這些固體廢棄物，通過(guò)二次加工燒成可制成新型建筑材料如混凝土外加劑用超細(xì)礦粉、微晶玻璃等。而另一部分廢棄物則須通過(guò)填埋式的處理，特別是含放射性元素的固體廢棄物。

2.4.1生活垃圾填埋

目前技術(shù)條件下，我國(guó)生活垃圾的處理主要采用填埋法處理，垃圾填埋場(chǎng)的建造，最關(guān)鍵要求是防止垃圾物、腐植物、重金屬離子以及有害有機(jī)物質(zhì)滲入地下水中產(chǎn)生二次污水下滲，從而污染地下水水源，為了達(dá)到此點(diǎn)，除了采用無(wú)污染、無(wú)害的防滲透建筑材料外，還要求在其底部及四周鋪墊強(qiáng)吸附層、離子交換性的粘土礦物和隔水性粘土層一層，后者材料主要為膨潤(rùn)土、土狀海泡石和坡縷石。

2.4.2放射性固體廢棄物的填埋

對(duì)于固體廢棄物來(lái)說(shuō)，其中最危險(xiǎn)的是固體廢棄物中含有的放射性元素。但對(duì)于固體廢棄物中的放射性元素，必須加以屏蔽，而其中的重金屬離子及有毒害的有機(jī)物分子也必須加以綜合處理。對(duì)于含放射性元素的固體廢棄物可以用礦物材料及改型的礦物材料來(lái)處理，如用蘭石棉、玻璃纖維、人造有機(jī)纖維、坡縷石、海泡石纖維紙制品等一些高吸附性材料來(lái)吸附、過(guò)濾放射性氣體和空氣中具有放射性的塵埃；利用沸石、海泡石、坡縷石等礦物凈化被放射性物質(zhì)污染的水體?！暗V物固化法”是放射性固體廢棄物處理的十分重要的行之有效方法，如硼砂、磷灰石、石英混合料在1000℃以上熔化后，可制成耐輻射的穩(wěn)定玻璃體；沸石加熱發(fā)泡、熔化、可固化核廢料。坡縷石、海泡石也是輻射屏蔽的密封材料。

2.5 其他環(huán)境治理

改性粘土礦物治理赤潮

[23]的作用在于：它們具有大的比表面積，特殊的表面電性和酸性以及很強(qiáng)的吸附能力。因而除了對(duì)赤潮海藻具有很強(qiáng)的絮凝作用外，還可以吸附水體中過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如N、P、NH4、Fe、Mn等，貧化海水，破壞赤潮生物賴以生存、繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ)；粘土礦物的粒子也可附著于藻體的內(nèi)外表面，當(dāng)這些粒子沉積得很多的時(shí)候，藻體就難以生存而死亡。

粘土礦物也可以應(yīng)用于荒漠化的治理中。沙漠化土地在我國(guó)30個(gè)省區(qū)市的851個(gè)縣均有分布，總面積達(dá)270萬(wàn)km左右，占陸地國(guó)土面積的30%，且仍以每年24~60 km的速度在擴(kuò)展。這些荒漠化土的顆粒較粗，一般呈細(xì)砂、粉砂狀、無(wú)粘性、滲水性強(qiáng)，而粘土礦物的顆粒極細(xì)，有較強(qiáng)的膨脹性、粘性、吸水性，兩者混合均拌勻，即可變成能保水的種植土。而且粘土礦物一般含有許多有利于動(dòng)、植物生長(zhǎng)的成分，可以為動(dòng)、植物提供多種營(yíng)養(yǎng)，從而達(dá)到采用粘土礦物治理沙漠的目的。

223 結(jié)束語(yǔ)

環(huán)境保護(hù)是2 1世紀(jì)人類所面臨的共同課題，全球性研究、開(kāi)發(fā)環(huán)境材料的熱潮方興未艾。人們已經(jīng)意識(shí)到環(huán)境治理中最好的切入點(diǎn)是利用自然界本身的自凈化能力。作為一種特殊的納米材料,納米粘土具有特殊的性能和很廣闊的應(yīng)用前景，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于粘土礦物的礦物學(xué)、晶體化學(xué)等特征研究的不斷深入，其在環(huán)境材料開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用將非常廣闊。

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第三篇：題目 納米材料在環(huán)境治理的應(yīng)用

題目 納米材料在環(huán)境治理的應(yīng)用

摘要 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)廢水、廢氣處理工藝、方法已不能滿足需要。法律制定和新材料的研制刻不容緩。光催化反應(yīng)的應(yīng)用研究已在有機(jī)物降解、水質(zhì)處理、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域廣泛展開(kāi), 利用日光進(jìn)行光催化反應(yīng)是光催化反應(yīng)應(yīng)用研究的重要課題。光催化技術(shù)為徹底解決水污染問(wèn)題提供了新的手段。納米二氧化鈦是目前最受人們關(guān)注的光催化劑之一。本文介紹了納米技術(shù)在廢水處理、大氣環(huán)境控制和固體廢棄物處理中的應(yīng)用進(jìn)展情況,并對(duì)其應(yīng)用前景作了展望。全球性的環(huán)境污染及生態(tài)破壞, 許多有毒有害的有機(jī)污染物被水體和土壤自凈的速度很慢而凈化不徹底, 并且在水體中存在時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣, 對(duì)人類潛在影響很大, 如許多有機(jī)物或其降解的中間產(chǎn)物具有致癌、致畸、致突變?nèi)滦? 這些有機(jī)污染物采用傳統(tǒng)的生物處理工藝已難以去除.迫使人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題給以足夠的關(guān)注, 并研究和開(kāi)發(fā)出一系列用于環(huán)境污染物治理的新技術(shù)和新方法,光催化技術(shù)作為其中一種新興的環(huán)境凈化技術(shù),其實(shí)用化的研究和開(kāi)發(fā)已受到廣泛的重視。[1] 關(guān)鍵詞 環(huán)境保護(hù) 納米技術(shù) 二氧化鈦 現(xiàn)狀 展望 大氣污染 水污染 固體廢棄物污染 正文 眾所周知，在整個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)中，人類僅僅是其中一環(huán)。然而，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人類社會(huì)的不斷地進(jìn)步，人類在整個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)中的影響范圍和程度越來(lái)越深遠(yuǎn)。在理性主義和人類中心等價(jià)值觀和科技進(jìn)步的雙重影響下，人類活動(dòng)在征服自然的過(guò)程中對(duì)資源的使用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞也達(dá)到空前的程度，引發(fā)了一系列環(huán)境問(wèn)題。例如當(dāng)今威脅人類的十大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題有：人口膨脹、能源危機(jī)、大氣污染、臭氧層的破壞、生物資源急劇減少、全球變暖、森林減少、土地荒漠化與水土流失、水污染與水資源短缺、危險(xiǎn)性廢物越境轉(zhuǎn)移。制定了相關(guān)法律法規(guī)我國(guó)大氣污染防止法律法規(guī)有：1956年5月25日國(guó)務(wù)院公布的《關(guān)于防止廠礦企業(yè)中矽塵危害的決定》，70年代《工業(yè)“三廢”排放試行標(biāo)準(zhǔn)》、《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，80年代以來(lái)《大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《鍋爐煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)》、《汽油車怠速污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《鋼鐵工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《核電廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》，《汽車排氣污染監(jiān)督管理辦法1990》、87年頒布《大氣污染防治法》、《大氣污染防治法實(shí)施細(xì)則》。國(guó)務(wù)院和地方各級(jí)人民政府在大氣污染防治中總的職責(zé)：⑴必須將大氣環(huán)境保護(hù)工作納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃。⑵必須合理規(guī)劃工業(yè)布局?！邦A(yù)防為主”，從源頭治理大氣污染。⑶必須加強(qiáng)大氣污染防治的科學(xué)研究。⑷必須采取防治大氣污染的措施，保護(hù)和改善大氣環(huán)境。如煤炭洗選加工、改進(jìn)城市燃料結(jié)構(gòu)、推廣高標(biāo)號(hào)無(wú)鉛汽油等。⑸采取有利于大氣污染防治及相關(guān)的綜合利用活動(dòng)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)政策和措施。⑹各級(jí)人民政府應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)植樹(shù)造林、城市綠化工作。水污染防止的法律規(guī)定：《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（試行）》、《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》、《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》；

2、1984年《水污染防治法》（1996年修改）；

3、1989年《水污染防治法實(shí)施細(xì)則》（2000年修改），《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等。防治固體廢物污染環(huán)境的法律規(guī)定：

1、72年《海洋傾廢公約》；

2、85年《關(guān)于開(kāi)展資源綜合利用若干問(wèn)題的暫行規(guī)定》 ；

3、89年《控制危險(xiǎn)廢物越境轉(zhuǎn)移及其處置的巴塞爾公約》等；

4、91年《防治含多氯聯(lián)苯電力裝置及其廢物污染環(huán)境的規(guī)定》；

5、92年《防治尾礦污染環(huán)境管理規(guī)定》 ；

6、92年《關(guān)于防治鉻化合物生產(chǎn)建設(shè)中環(huán)境污染的若干規(guī)定》；

7、92年《城市市容和環(huán)境衛(wèi)生管理?xiàng)l例》；

8、93年《城市生活垃圾管理辦法》；

9、95年《固體廢物污染環(huán)境防治法》；

10、96年《關(guān)于進(jìn)一步開(kāi)展資源綜合利用的意見(jiàn)》。防止海洋污染損害的法律規(guī)定：1974年頒布《防止沿海水域污染暫行規(guī)定》 ；1982年頒布《海洋環(huán)境保護(hù)法》（1999年修改）；為實(shí)施該法，國(guó)務(wù)院先后頒布了；《防止船舶污染海域管理?xiàng)l例》；《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》；《海洋傾廢管理?xiàng)l例》；《防止拆船污染環(huán)境管理?xiàng)l例》；《防治陸源污染物污染損害海洋環(huán)境管理?xiàng)l例》；《防治海岸工程建設(shè)項(xiàng)目污染損害海洋環(huán)境管理?xiàng)l例》等，1982年以來(lái)，還發(fā)布了《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、《船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《海洋石油開(kāi)發(fā)工業(yè)含油污水排放標(biāo)準(zhǔn)》、《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》、《景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》等海洋環(huán)境保護(hù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，《海洋調(diào)查規(guī)范》、《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》等海洋環(huán)境保護(hù)規(guī)范。先后加入了《國(guó)際防止船舶污染公約》和《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》等國(guó)際海洋環(huán)境保護(hù)公約。環(huán)境噪聲污染防止的法律規(guī)定：

1、《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（1982）；

2、《中國(guó)人民解放軍空軍關(guān)于減輕飛機(jī)噪聲的影響的通知》；

3、《民用機(jī)場(chǎng)管理規(guī)定》（86）；

4、《環(huán)境噪聲污染防治條例》（89年）

5、《中華人民共和國(guó)環(huán)境噪聲污染防治法》（96年）等。工業(yè)噪聲污染防治的規(guī)定：⑴達(dá)標(biāo)排放。⑵環(huán)境噪聲排放申報(bào)登記制度。⑶偶發(fā)性強(qiáng)烈噪聲排放的申請(qǐng)和公告制度。確需排放須事先向當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)提出申請(qǐng)，批準(zhǔn)后方可進(jìn)行。當(dāng)?shù)毓矙C(jī)關(guān)應(yīng)當(dāng)向社會(huì)公告。

防治有毒化學(xué)品污染物的法律規(guī)定：1987年國(guó)務(wù)院頒布《化學(xué)危險(xiǎn)物品安全管理?xiàng)l例》、1991年國(guó)家環(huán)保局、能源部發(fā)布《防止含多氯聯(lián)苯電力裝置及其廢物污染環(huán)境的規(guī)定》。

7、1992年化工部，國(guó)家境保局發(fā)布了《關(guān)于防治鉻化合物生產(chǎn)建設(shè)中環(huán)境污染的若干規(guī)定》。

8、1993年國(guó)務(wù)院經(jīng)濟(jì)貿(mào)易辦公室、衛(wèi)生部發(fā)布《關(guān)于停止生產(chǎn)和銷售萘丸的通知》，9、1994年，國(guó)家環(huán)保局、海關(guān)總署、對(duì)外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)部發(fā)布了《化學(xué)品首次進(jìn)口及有毒化學(xué)品進(jìn)出口環(huán)境管理規(guī)定》。

10、聯(lián)合國(guó)環(huán)境署87年《關(guān)于化學(xué)品國(guó)際貿(mào)易資料交流的倫敦準(zhǔn)則》(93年參加)。

11、2003年4月1日環(huán)保總局《新化學(xué)物質(zhì)環(huán)境管理辦法》；10月15日實(shí)施。防止放射性污染的法律規(guī)定：74年《放射防護(hù)規(guī)定》，86年《民用核設(shè)施安全監(jiān)督管理?xiàng)l例》，84年《核電站基本建設(shè)環(huán)境保護(hù)管理辦法》，87年《城市放射性廢物管理辦法》，89年《放射性藥品管理辦法》和《放射性同位素與射線裝置放射防護(hù)條例》，90年《放射環(huán)境管理辦法》等。《中華人民共和國(guó)放射性污染防治法》于2003年6月28日通過(guò)，自2003年10月1日起施行。

農(nóng)藥污染防止的法律規(guī)定：55年《關(guān)于嚴(yán)防農(nóng)藥中毒的聯(lián)合通知》，82年《農(nóng)藥安全使用規(guī)定》和《農(nóng)藥登記規(guī)定》《農(nóng)藥登記規(guī)定實(shí)施細(xì)則》，84年《農(nóng)藥安全使用標(biāo)準(zhǔn)》和《農(nóng)藥合理使用準(zhǔn)則》等，96年，農(nóng)業(yè)部、國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，國(guó)家工商行政管理局等五個(gè)部門聯(lián)合發(fā)出通知，嚴(yán)禁在蔬菜生產(chǎn)中使用高毒，高殘留農(nóng)藥，防止有毒有害蔬菜進(jìn)入市場(chǎng)，以確保人民食菜安全。97年《農(nóng)藥管理?xiàng)l例》，1999年4月27日農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥管理?xiàng)l例實(shí)施辦法，2002年6月18日 農(nóng)業(yè)部《農(nóng)藥限制使用管理規(guī)定》。

現(xiàn)在環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)威脅到人類的生存和發(fā)展，因此，環(huán)境保護(hù)也應(yīng)該成為全世界人必須共同關(guān)注的話題。為了人類社會(huì)的持續(xù)進(jìn)步和人類后代的生存，人類必須要堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，而為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展我們可以利用充分開(kāi)發(fā)清潔能源，節(jié)能減排，利用綠色材料，崇尚低碳生活等方法。其中，隨著納米材料的悄然崛起，納米技術(shù)在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用也越來(lái)越多，人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力也得到拓展。為徹底改善環(huán)境和控制新的污染源產(chǎn)生, 納米材料為其提供了技術(shù)支持。

關(guān)于環(huán)境材料 有關(guān)環(huán)境材料目前國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的說(shuō)法，歸納起來(lái)可分為以下十類：節(jié)約能源、節(jié)約資源、可重復(fù)使用、可循環(huán)再生、結(jié)構(gòu)可靠性材料、化學(xué)穩(wěn)定性、生物安全性、有毒有害替代、舒適性、環(huán)境材料的合成與加工工藝等幾個(gè)方面。下面簡(jiǎn)單對(duì)環(huán)境工程材料的幾個(gè)方面作介紹：

1、環(huán)境凈化材料，環(huán)境凈化材料包括水污染控制材料，大氣污染控制材料等其他的環(huán)境控制材料。（1）、水污染控制材料

常用的廢水處理方法可分為以下3類：①分離處理，即通過(guò)各種外力的作用使污染物從廢水中分離出來(lái)，通常在分離過(guò)程中并不改變污染物的化學(xué)性質(zhì)；②轉(zhuǎn)化處理，即通過(guò)化學(xué)或生化的作用，改變污染物的化學(xué)性質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為無(wú)害物或可分離的物質(zhì)，再經(jīng)分離處理予以除去；③稀釋處理，即將廢水進(jìn)行稀釋混合，降低污染物的濃度，減少危害。針對(duì)不同的水處理方法，開(kāi)發(fā)了不同用途的環(huán)境工程材料。目前，用于廢水分離工藝的主要包括用于過(guò)濾、吸附的濾料、吸附劑、膜分離材料等；用于廢水生化處理的主要有用于固定微生物的金屬或陶瓷載體；用于廢水化學(xué)處理的主要有高效率并且不產(chǎn)生二次污染的各種催化劑，如二氧化鈦光催化劑等。

利用吸附劑的物理吸附、離子交換、絡(luò)合等特點(diǎn)，能夠去除水中的各種金屬離子，主要用于處理含重金屬元素的廢水。此外，物理吸附還能夠吸附水中的顆粒物以及部分有機(jī)污染物。吸附劑的開(kāi)發(fā)主要考慮其吸附效率、選擇性、成本等性能。天然沸石由于來(lái)源廣泛、處理效果好、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐漸替代傳統(tǒng)的活性炭吸附劑成為主要的水處理吸附劑。利用天然沸石作為基體，在分子尺度范圍內(nèi)可控地破壞孔洞結(jié)構(gòu)，進(jìn)行造孔，制得了一種新型介孔復(fù)合吸附材料。

近年來(lái)有很多關(guān)于改性多聚糖吸附劑的研究，由淀粉、糊精、殼素等天然生物質(zhì)中提取多聚糖，制備交聯(lián)多聚糖吸附劑的研究。沉淀分離方法也是水處理中經(jīng)常使用的分離工藝。治理水污染的沉淀分離工藝過(guò)程用材料，包括用于絮凝沉淀的絮凝劑和化學(xué)沉淀的沉淀劑2種。高鐵酸鹽絮凝劑是水處理中已廣泛使用的絮凝劑，能夠有效降解有機(jī)物，去除懸浮顆粒及凝膠，其瓶頸在于產(chǎn)率比較低，前處理工藝對(duì)其治理效果有一定的影響。因此，研究主要集中在改善制備工藝、提高產(chǎn)率以及產(chǎn)物的穩(wěn)定性、尋找替代次氯酸鹽以及氯化物的氧化劑等方面。

市政生活污水通常采用生化處理工藝。固定化微生物技術(shù)是使用化學(xué)或物理的方法將游離細(xì)胞定位于材料的限定空間中，并使其保持生物活性且可反復(fù)利用的生物技術(shù)。這種水處理方法具有生物濃度易控制、耐毒害能力強(qiáng)、菌種流失少、產(chǎn)物易分離、運(yùn)行設(shè)備小型化等特點(diǎn)，但是固定化材料性能的不足限制了其應(yīng)用。利用粘土礦為主要原料，添加適當(dāng)?shù)呐蛎泟┎⒂眉{米材料進(jìn)行改性，控制適當(dāng)?shù)臒乒に?，研制出了一種新型的水處理填料———納米改性陶粒，在達(dá)到相同處理效率的條件下，水力負(fù)荷提高了14.3%，出水水質(zhì)好，運(yùn)行穩(wěn)定（2）、大氣污染控制材料

目前，治理大氣污染通常使用吸附法、吸收法和催化轉(zhuǎn)化法。相應(yīng)的大氣污染控制材料包括吸附劑、吸收劑和催化劑，主要應(yīng)用于工廠、住宅區(qū)鍋爐等固定源與機(jī)動(dòng)車等活動(dòng)源排放的氣體污染物的凈化。稀土汽車尾氣凈化催化劑是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類重要的環(huán)境工程材料，它能夠在一定條件下催化大氣中的有害氣體成分，如NOx、CO、CH等轉(zhuǎn)化為N2和CO2。汽車尾氣的凈化催化劑通常采用鉑、鈀、銠等貴金屬作為主要的活性組分。近年來(lái)，為了節(jié)約貴金屬資源，開(kāi)始研究利用過(guò)渡金屬、稀土元素部分替代或全部替代貴金屬，進(jìn)行汽車尾氣凈化處理，取得了很好的效果。

目前，這方面的研究熱點(diǎn)主要集中在減少貴金屬用量、提高催化效率以及催化劑穩(wěn)定性等方面。作為稀土催化劑載體的多孔蜂窩陶瓷近年來(lái)也成為研究的熱點(diǎn)。

二氧化鈦光催化劑的研究近年來(lái)成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、無(wú)毒、價(jià)廉以及光催化活性高而引起了廣泛的重視。利用Sol-Gel、磁控濺射2種方法分別制備了銳鈦礦相的納米TiO2粉末和固定化的薄膜，研究了微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光催化性能的影響及催化機(jī)理。在此基礎(chǔ)上提出了利用離子注入和納米鑲嵌改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到提高TiO2光催化活性的目的。近年來(lái)，TiO2光催化劑的多種類型的產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)，如自清潔玻璃、衛(wèi)生潔具等。根據(jù)研究，超聲波對(duì)二氧化鈦光觸媒可起到催化作用，從而促使二氧化鈦激發(fā)液體成分發(fā)生變化，釋放出殺菌成分。將大腸桿菌加入納米二氧化鈦水溶液，經(jīng)超聲波作用75 min，殺滅率可達(dá)到100%。

室內(nèi)環(huán)境污染也是大氣污染的一種，污染源主要是外界大氣、房基或家居中的化工涂料、染料等。近年來(lái)利用TiO2光催化劑【13】將空氣中的有機(jī)物分解為CO2、H2O和相應(yīng)無(wú)機(jī)酸，日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。載人航天器座艙內(nèi)的空氣凈化主要采用生物空氣過(guò)濾器BAF（Biological Air Filter）【14】。最初，這種過(guò)濾器主要采用的基質(zhì)是土壤，后來(lái)用一些質(zhì)量更輕、孔隙度和比表面積更大的天然有機(jī)物質(zhì)如堆肥、樹(shù)皮、泥炭等。這種生物空氣過(guò)濾器比起物理/化學(xué)的方法，如化學(xué)清洗、吸附和催化轉(zhuǎn)化等的費(fèi)用要廉價(jià)得多，但是只適用于低濃度污染物的室內(nèi)空氣凈化。

沸石和活性炭纖維良好的吸附性能也可以應(yīng)用于處理廢氣和凈化空氣。例如，沸石對(duì)于大氣中的碳?xì)浠衔?、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氫等具有良好的吸附、凈化功能，可用于汽車尾氣凈化劑。在二氧化硫煙氣凈化方面，開(kāi)發(fā)出了離子交換樹(shù)脂吸附型凈化材料以及利用稀土氧化物材料作為催化劑的干法脫硫。離子交換樹(shù)脂是以丙烯、苯乙烯為原料，經(jīng)交聯(lián)懸浮共聚，制成多孔柱狀樹(shù)脂，再經(jīng)碳化處理而得到的。稀土氧化物CeO2是非常有應(yīng)用前景的新型吸收劑，能夠在很寬的范圍內(nèi)與SO2反應(yīng)，而且在適當(dāng)?shù)臈l件下可再生，可以使吸收劑產(chǎn)生的廢氣轉(zhuǎn)化為硫。作為潛在的吸收劑CeO2可以同時(shí)脫去煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，其脫氮和脫硫效率都大于90%，目前此類研究正處于實(shí)驗(yàn)室階段。

2、環(huán)境修復(fù)材料，環(huán)境修復(fù)指對(duì)已破壞的環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化治理，恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境。常見(jiàn)的環(huán)境修復(fù)材料有防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料以及臭氧層修復(fù)材料等。（1）、固沙制備材料

大力防治土地沙漠化和荒漠化是實(shí)現(xiàn)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。研制、開(kāi)發(fā)新型固沙植被材料，保持水土、減緩沙漠化是生態(tài)環(huán)境材料工作者義不容辭的責(zé)任。目前的固沙植被材料主要有兩大類：一類是高吸水性樹(shù)脂，另一類是高分子乳液。目前，這些材料主要用于沙漠與荒漠化地區(qū)交通干線沿線的護(hù)路以及荒坡固定等。技術(shù)已經(jīng)成型的固沙劑具有固結(jié)速度快、強(qiáng)度高、無(wú)毒害、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但通常成本較高。(2)其他環(huán)境修復(fù)材料

全球氣候變暖、溫室效應(yīng)加強(qiáng)，是各國(guó)政府目前密切關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一。如采取積極的措施，將CO2轉(zhuǎn)化為其他有用的材料，是控制CO2排放、治理氣候變暖的一個(gè)重要途徑。日本研制的用于保護(hù)臭氧層的轉(zhuǎn)化氟利昂的新型催化劑，以及用CO2作原料來(lái)生產(chǎn)甲醇的技術(shù)是2個(gè)典型的例子。前者可大大降低臭氧層的破壞程度，使人們免遭紫外線照射之苦，而后者則可有效地降低CO2所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。它們都可改善人類居住的環(huán)境，同時(shí)還可帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著全球性生態(tài)環(huán)境的惡化，環(huán)境修復(fù)材料在未來(lái)將遇到更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。溫室效應(yīng)、臭氧層空洞、POPs污染等重大環(huán)境問(wèn)題，無(wú)一不是依靠材料科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步才能夠解決的。開(kāi)發(fā)新型材料是今后發(fā)展的主要思路，如從各式各樣的廢棄物中提取有用成分制備可降解的固沙材料，既降低了成本，又可有效地解決廢棄物的處理問(wèn)題?？傊?，環(huán)境工程材料必將對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步起到巨大的推動(dòng)作用。

四、環(huán)境材料的發(fā)展趨勢(shì)

就目前狀況而言，城市建筑不斷增多，人們汽車擁有量不斷加大，環(huán)境材料的發(fā)展已成必然，合金材料將向著耐熱材料、超低溫結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)耐久性材料方向發(fā)展；開(kāi)展更多的綠色化工產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)“原子經(jīng)濟(jì)性”采用3R方法，減量化，再生利用和再循環(huán)利用等，并將構(gòu)建綠色制造數(shù)據(jù)庫(kù)形成完整的綠色生態(tài)加工體系。

一、納米技術(shù)及其特性 納米技術(shù)是指1~100nm尺度范圍內(nèi)的科學(xué)技術(shù)，研究尺度界于原子、分子與宏觀物體之間的規(guī)律和特征，當(dāng)物質(zhì)被“粉碎”到納米級(jí)細(xì)小并制成“納米材料”，納米材料通常以其表面原子數(shù)占總原子數(shù)比例大，還有顯示量子尺寸效應(yīng)這兩個(gè)重要特點(diǎn)而影響其各種物理和化學(xué)性能, 使納米顆粒具有獨(dú)特的性質(zhì)。不僅光、電、熱、磁性發(fā)生變化，而且具有輻射、吸收、催化等許多新特性。因而在許多方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于納米材料具有的特殊性能使得它在水處理和大氣處理中有著廣泛的應(yīng)用。

光催化氧化法處理、凈化受污染體的方法是一種高級(jí)氧化技術(shù), 對(duì)許多有毒有害的有機(jī)污染物的處理均顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 如氧化降解水體中不飽和有機(jī)化合物、芳烴、鹵化烴、芳香類化合物、雜環(huán)化合物、染料、表面活性劑有機(jī)氮磷農(nóng)藥等.光催化能將難降解有機(jī)污染物氧化、分解, 直至H2O、CO2和無(wú)機(jī)鹽等, 使有機(jī)物部分或完全礦物質(zhì)化(礦化), 從而達(dá)到污染物無(wú)害化處理的要求.目前,用于光催化降解環(huán)境中污染物的催化劑多為N型半導(dǎo)型材料, 如T iO2、ZnO、CdS、WO3、SnO、Fe2O3 等, 其中TiO2 因其活性高、穩(wěn)定性好, 對(duì)人體無(wú)害而成為最受重視的一種光催化劑。實(shí)驗(yàn)表明, T iO2 至少可以經(jīng)歷12 次的反復(fù)使用而保持光分解效率基本不變, 連續(xù)580 分鐘光照下保持其活性, 因而將其投入實(shí)際應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。

二、TiO2 光催化凈化機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

顯著優(yōu)勢(shì):(1)以太陽(yáng)光為最終要求的輻射能源，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能加以利用。太陽(yáng)光，是取之不盡、用之不竭的，因此大大降低了處理成本，是一種節(jié)能技術(shù)。

(2)光激發(fā)空穴產(chǎn)生的·OH 是強(qiáng)氧化自由基，可在較短時(shí)間內(nèi)成功分解水中難降解有機(jī)物在內(nèi)的大多數(shù)有機(jī)物，它還能分解水中微量有機(jī)物，因此是一種普遍實(shí)用的高效處理技術(shù)。(3)半導(dǎo)體光催化技術(shù)具有穩(wěn)定性高、耐腐蝕、無(wú)毒的特點(diǎn)，并且在處理過(guò)程中不產(chǎn)生二次污染，從物質(zhì)循環(huán)的角度看，有機(jī)污染物能被徹底無(wú)機(jī)化，因此是一種潔凈的處理技術(shù)。(4)對(duì)環(huán)境要求低，對(duì)pH 值、溫度等沒(méi)有特殊要求。

(5)處理負(fù)荷沒(méi)有限制，即：可以處理高濃度廢水，也可以處理輕微污染水源水。在水污染物治理中的應(yīng)用 案例：2006長(zhǎng)江淡水豚中外聯(lián)合考察隊(duì)經(jīng)歷了39天長(zhǎng)江航行后遺憾宣布，來(lái)回近3400公里考察未發(fā)現(xiàn)一頭白鰭豚，這個(gè)結(jié)果證明白鰭豚種群狀況極度瀕危，可能成為世界上第一個(gè)被人類消滅鯨類動(dòng)物。白鰭豚是僅生存中國(guó)長(zhǎng)江中下游珍稀水生哺乳動(dòng)物，屬國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，被列為世界最瀕危12種動(dòng)物之一。白鰭豚5歲～6歲性成熟，1年懷胎，一年哺乳，一胎一仔，習(xí)慣以小家庭形式生活。這一消息讓人感到恐懼，如果再不好好地治理長(zhǎng)江，好好地治理水污染，會(huì)有更多的物種滅絕。

長(zhǎng)江生態(tài)惡化，是沿江經(jīng)濟(jì)布局不合理惡果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)兩萬(wàn)多家化工企業(yè)，分布長(zhǎng)江沿岸就有9000多家，占全國(guó)45%。三峽庫(kù)區(qū)大中型工礦企業(yè)3000多家，化工廠有2000多座。這些化工企業(yè)污染嚴(yán)重，為發(fā)生重大污染事件埋下嚴(yán)重隱患，一旦發(fā)生污染事故，后果不堪設(shè)想。

隨著人口的增加和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長(zhǎng)，人類的用水量大大增加，排污量也空前猛增，水污染非常嚴(yán)重，加劇了水資源危機(jī)的程度。當(dāng)前，全球80多個(gè)國(guó)家的15億人口面臨淡水不足，其中26個(gè)國(guó)家的3億人口完全生活在缺水狀態(tài)，所以保護(hù)水資源,節(jié)約用水勢(shì)在必行。污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等，污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問(wèn)題，污水治理一直得不到很好解決。而納米技術(shù)在水污染治理方面也有突出表現(xiàn)。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)，它們從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬完全提煉出來(lái)，變害為寶。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10~20倍。所以，納米技術(shù)在污水處理的很多領(lǐng)域都起到重要作用。(1)有機(jī)廢水的降解處理

TiO2 光催化反應(yīng)能有效地將染料廢水、農(nóng)藥廢水、表面活性劑、氯代物、氟里昂、含油廢水等廢水中的有機(jī)物降解為H2O、CO2、PO43-、SO42-、NO3-、鹵素離子等無(wú)機(jī)小分子, 達(dá)到完全無(wú)機(jī)化的目的。大量研究表明納米TiO2等作為光催化劑，在陽(yáng)光下催化氧化水中的有機(jī)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(jī)物很快完全催化氧化成水和CO等無(wú)害物質(zhì)。例如納米R(shí)u／TiO2作催化劑，對(duì)酸性或堿性牛皮紙漂白廢水進(jìn)行光催化降解，廢水中的有機(jī)總碳的去除率可達(dá)到99．6％，并使廢水完全脫色。經(jīng)光催化空氣氧化處理后的工廠廢水對(duì)弧菌的毒性的實(shí)驗(yàn)表明，用該方法處理后的工廠漂白廢水完全可以進(jìn)一步生物降解。此外，用納米TiO2催化降解技術(shù)來(lái)處理毛織染整廢水，具有省資、高校、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，最終能使有機(jī)物完全礦化，不存在二次污染等問(wèn)題，顯示出良好的應(yīng)用前景(2)無(wú)機(jī)廢水的處理

許多無(wú)機(jī)物在TiO2 表面也具有光化學(xué)活性。利用T iO2 催化劑的強(qiáng)氧化還原能力, 可以將污水中汞、鉻、鉛以及氧化物等降解為無(wú)毒物質(zhì)。Ser pone 等報(bào)道了用T iO2 光催化法從Au(CN)-4 中還原Au, 同時(shí)氧化CN-為NH3 和CO2的過(guò)程, 該法用于電鍍工業(yè)廢水的處理, 不僅能還原鍍液中的貴金屬, 而且還能消除鍍液中氰化物對(duì)環(huán)境的污染, 是一種有實(shí)用價(jià)值的處理方法。

二、納米材料在大氣污染治理方面的應(yīng)用

大氣污染一直都是各國(guó)政府需要解決的難題，空氣中超標(biāo)的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物是影響人類健康的有害氣體。在我國(guó)，“大氣污染導(dǎo)致每年有30到70萬(wàn)人因煙塵污染提前死亡，2500萬(wàn)兒童患慢性咽炎，400萬(wàn)到700萬(wàn)農(nóng)村婦女兒童受害?！?/p>

納米TiO2作為一種極強(qiáng)的光催化劑,使得利用太陽(yáng)光這種最清潔的能源來(lái)分解環(huán)境中的污染性物質(zhì)成為了可能.因此,在涂料中加入納米TiO2、ZnO、CaCO3、SiO2及碳黑等作為顏填料或助劑,除了可以顯著提高涂膜的機(jī)械強(qiáng)度、防腐性能、耐光性和耐候性外,還可利用納米半導(dǎo)體的強(qiáng)光催化活性降解空氣中的污染物.研究表明,納米TiO2對(duì)NOx、甲醛、甲苯等污染物的降解效果幾乎可達(dá)到100%.其對(duì)大氣中的NOx的凈化機(jī)理如圖1所示[4]

酸雨是大氣污染的一種重大表現(xiàn)。世界目前已有三大酸雨區(qū)，給人類環(huán)境帶來(lái)了多方面的不良影響，如土壤酸化與貧瘠化，作物減產(chǎn)，余下減少或滅絕等。而納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用為解決這些氣體的污染問(wèn)題提供了新的方法。二）固體廢物處理

現(xiàn)在，人類生活垃圾的排放量也大得驚人，而，納米技術(shù)及納米材料可以應(yīng)用于城市固體垃圾處理。它的作用主要有兩個(gè)方面：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(shù)可以使城市垃圾J決速降解，其速度可達(dá)到大顆粒TiO2的10倍以上，從而緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。

結(jié)語(yǔ) 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(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理的進(jìn)一步有機(jī)結(jié)合，許多環(huán)保難題將會(huì)得到解決。現(xiàn)在有很多納米技術(shù)的成功研究都沒(méi)有用到世紀(jì)中，我相信，在不久的將來(lái)，這些技術(shù)都會(huì)出現(xiàn)在我們的日常生活中，諸如大氣污染、污水處理、城市垃圾等問(wèn)題都將會(huì)得到解決。我們將充分享受納米技術(shù)給人類帶來(lái)的潔凈環(huán)境。有理由相信，納米科技作為一門新興科學(xué)，必將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，利用納米科技解決環(huán)境污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。總之，納米技術(shù)正成為各國(guó)科技界所關(guān)注的焦點(diǎn)，正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”

被喻為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將成為人類解決環(huán)境污染難題的有效手段。納米技術(shù)在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用,可以大大提高難去除雜質(zhì)的去除率,使復(fù)雜的處理過(guò)程簡(jiǎn)單化,處理成本下降。可以預(yù)見(jiàn),利用納米技術(shù)的環(huán)保工藝和技術(shù)將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

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第四篇：納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

學(xué) 院：姓 名：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：

——《納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿》論文

材料科學(xué)與工程學(xué)院 陳美齡 41136025 納米11班 2014.7.30 納米11

陳美齡

41136025

一、摘要：

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技技術(shù)更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷?，在我們的日常生活中發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領(lǐng)域，已經(jīng)由原來(lái)如何方便人類生活、如何開(kāi)發(fā)新型材料，逐步向減少環(huán)境負(fù)擔(dān)、材料可循環(huán)利用、低能高效的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，納米材料材料同樣發(fā)揮著不可替代的作用。在未來(lái)的研究方面，將會(huì)是向低碳環(huán)保和科技技術(shù)方面發(fā)展。

本文主要介紹在航天領(lǐng)域方面的熱門兩種納米材料。

二、無(wú)機(jī)抗菌納米材料

（1）簡(jiǎn)介

細(xì)菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對(duì)人類生活作業(yè)境造成污染，而且時(shí)人體健康和生命造成嚴(yán)幣損害。即使在遠(yuǎn)離地球的找人航天E行器艙內(nèi)環(huán)境中同樣不能豐免。美國(guó)載人航無(wú)器E行史中，因細(xì)菌感染而導(dǎo)致乘員患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，潰瘍的病例就打多起。如阿波羅7、8 q曾發(fā)生呼吸道感染，9、1I、12、14發(fā)生中耳炎，其他E行任務(wù)中也牲牛過(guò)皮疹等皮膚感染性疾病，P號(hào)宅川站乘員留軌期問(wèn)也有因細(xì)菌感染患疵，從而不得不提返航的病例。納米11

陳美齡

41136025

（2）機(jī)抗菌納米材料材料簡(jiǎn)介

無(wú)機(jī)抗菌納米材料材料就是含有無(wú)機(jī)抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的納米材料材料。無(wú)機(jī)抗菌劑是一種新的、含有銀、鋅、銅等金屬離子成分和無(wú)機(jī)載體的接觸型抗菌制劑，其所含金屬離子具有超強(qiáng)抗菌能力。

當(dāng)細(xì)菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態(tài)金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負(fù)電荷的微生物因庫(kù)侖引力相互吸附，并在微生物表面聚積，在金屬離子之正電荷達(dá)一定量時(shí)，就會(huì)有效擊穿細(xì)菌細(xì)胞壁，接觸細(xì)胞內(nèi)部蛋白質(zhì)和核酸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質(zhì)失活就會(huì)影響細(xì)胞的代謝和呼吸功能，使其無(wú)法進(jìn)行分裂繁殖，直到死亡，從而達(dá)到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)己試制和生產(chǎn)出硅、鈣、鉀三大系列七大類多種抗菌劑，而且還為各種制劑選配了合適載體，較好的解決了部分抗菌納米材料制品的生產(chǎn)工藝技術(shù)難題。如抗菌尼龍絲、聚乙烯板，藥品包裝材料、食品包裝膜、聚丙編織絲料、無(wú)紡布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空氣清新劑等多種抗菌制品，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步嚴(yán)格篩試，均可應(yīng)用于載人航天技術(shù)領(lǐng)域。

為給乘員創(chuàng)建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環(huán)境，納米材 納米11

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料聚合材料越來(lái)越多的運(yùn)用于載人航天艙內(nèi)設(shè)備。航天服就用到多種經(jīng)特殊處理的保溫耐壓納米材料材料。又如頭盔及其面窗材料，通信用麥克和耳機(jī)材料，飛行程序控制用計(jì)算機(jī)殼體、操作鍵盤，各種連接導(dǎo)線和電纜，多種非金屬餐飲、復(fù)水器具，食品、飲料及藥品包裝材料，廢物和大小便收集存貯裝置，尿液及航天廢水再生處理用過(guò)濾、透析膜材料,吸水材料，保溫材料，各種通用工具及設(shè)備的操作把手，各種通風(fēng)排氣復(fù)合軟管材料，減震保溫用發(fā)泡材料，有時(shí)電熱設(shè)備的絕緣隔熱層也不得不用納米材料材料制成。納米材料材料為人類創(chuàng)建生活和工作便利的同時(shí)，同樣也會(huì)遭受有害菌侵蝕，不僅損害材料外觀，而且嚴(yán)重?fù)p害到材料質(zhì)量，甚至通過(guò)交叉?zhèn)鞑パ昙叭梭w健康。據(jù)調(diào)查，105 f-1電話中46％的機(jī)子上有大腸桿菌，僅在塑料聽(tīng)筒、話筒上就有480余種細(xì)菌和2400種病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在適宜條件下，一個(gè)大腸桿菌經(jīng)9個(gè)小時(shí)可達(dá)1億個(gè)之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應(yīng)用

（1）簡(jiǎn)介

在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導(dǎo)性角色，材料進(jìn)步不僅推動(dòng)了航空航天業(yè)本身的發(fā)展，也帶動(dòng)了地面交通工具進(jìn)步，航空航天材料反映了材料發(fā)展的前沿，代表一個(gè)國(guó)家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命等。納米11

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（2）聚磷腈材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、在織物阻燃中

航空航天領(lǐng)域織物包括降落傘和宇航服裝，要求材料具有高的阻燃和耐熱性能，以滿足特殊條件下的使用。

劉霞等人通過(guò)熱重分析(TGA)、差熱分析(DTA)，紅外光譜(IR)等詳細(xì)研究了TAP對(duì)織物阻燃性能的影響。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l7％ 時(shí)，成率(燃燒分解后剩余質(zhì)量占原來(lái)質(zhì)量的分?jǐn)?shù))為39％，氧指數(shù)為47。5，手感好，強(qiáng)度損失小，水平點(diǎn)燃有自熄性。國(guó)外有人對(duì)TAP(日本曹達(dá)公司產(chǎn)品)的水合物和鹽酸鹽進(jìn)行研究。經(jīng)TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見(jiàn)表1。

由表1可知，經(jīng)TAP化合物整理后，棉緞具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明顯，基于增質(zhì)量率和不同條件下的極限氧指數(shù)(iO0最高達(dá)到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進(jìn)一步經(jīng)熱分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CP在受熱過(guò)程中發(fā)生放熱分解。TAP化合物在受熱過(guò)程中，由于放出HCI和NH 而發(fā)生吸熱，且TAP在纖維素中發(fā)生縮聚反應(yīng)(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發(fā)生縮聚，生成不溶于水的聚合物，從而賦予纖維以持久的阻燃性。用TAP化合物進(jìn)行阻燃整理有如下優(yōu)點(diǎn)：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會(huì)游離出甲醛；經(jīng)整理的布手感柔軟，強(qiáng)度保持率(經(jīng)向)高達(dá)90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生鹵素氣體和鹵化氫氣體。此 外，TAP對(duì)人造纖維、棉針織物、絲綢有防縮整理效果。納米11

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2、在阻燃泡沫橡膠中

美聯(lián)邦航空局的Richard等人對(duì)高效阻燃聚磷腈泡沫材料進(jìn)行了測(cè)試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.前者的熱性能顯示了非常大的優(yōu)勢(shì)，EYPEL—A熱釋放能力比航空用Pu橡膠降低了66．4％，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠的 更是降低了80．7％。從反應(yīng)材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡膠的成炭率提高9倍，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃燒性能更為優(yōu)越(表3)，與Pu相比，燃燒時(shí)聚磷腈材料最大熱釋放速率降低70％，平均有效燃燒熱量降低37．5％，顯著降低燃燒釋放出的熱量，減少燃燒造成的損失，石墨改性的聚磷腈性能則更優(yōu)。6 納米11

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3、在膠黏劑中

聚磷腈膠黏劑[1 具有突出的耐熱性能，300度以上有較好的耐熱性和黏結(jié)一IIii(對(duì)金屬粘接剪切強(qiáng)度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無(wú)機(jī)鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業(yè)下如火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等有關(guān)耐高溫部件的金屬、陶瓷和玻璃鋼等工件的粘接。典型的聚磷腈膠黏劑合成見(jiàn)圖4。納米11

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四、結(jié)語(yǔ)

納米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬(wàn)個(gè)小分子有化學(xué)鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應(yīng)用的納米材料材料就是指合成材料、合成橡膠、合成纖維等合成納米材料材料。然而20世紀(jì)60年代，納米材料工業(yè)已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業(yè)材料等需求。因此，在未來(lái)的納米材料航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復(fù)合技術(shù)以及可降解生物納米材料材料研發(fā)將是三個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

五、參考文獻(xiàn)

（1）許勝國(guó)，魏民，趙成堅(jiān)，謝瓊-中國(guó)宇航學(xué)會(huì)首屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，無(wú)機(jī)抗菌納米材料材料在載人航天技術(shù)中的應(yīng)用前景。（2）李愛(ài)元，張慧波，陳亞?wèn)|，王建-《膠體與聚合物》，聚磷腈納米材料材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

第五篇：綜述地理信息系統(tǒng)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

綜述地理信息系統(tǒng)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：地理信息系統(tǒng)在環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境管理，水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，環(huán)境影響評(píng)價(jià)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，水環(huán)境功能區(qū)劃等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)在環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)

環(huán)境領(lǐng)域

應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)軟件和硬件的支持下,運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論,科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù),以提供對(duì)規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。而理信息系統(tǒng)以其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、形象直觀的應(yīng)用界面、強(qiáng)大的空間分析能力等特點(diǎn),能為現(xiàn)實(shí)地理空間上的物質(zhì)和能量運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究提供方便、準(zhǔn)確的管理和空間分析手段。因此,理信息系統(tǒng)與環(huán)境科學(xué)的結(jié)合運(yùn)用有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?地理信息系統(tǒng)在環(huán)境規(guī)劃中的應(yīng)用

將理信息系統(tǒng)技術(shù)與環(huán)境規(guī)劃技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),可形成環(huán)境規(guī)劃專題地理信息系統(tǒng),大量的污染源數(shù)據(jù)和專題的環(huán)境現(xiàn)狀信息(柵格結(jié)構(gòu))可直接進(jìn)入地理信息系統(tǒng),成為地理信息系統(tǒng)的主要信息源之一,結(jié)合地理背景的空間數(shù)據(jù)(矢量結(jié)構(gòu))如大氣污染類型、水污染現(xiàn)狀、土地利用、行政區(qū)劃。本研究實(shí)現(xiàn)了矢量圖形和柵格圖像處理相結(jié)合,綜合分析與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相結(jié)合,使得地理信息系統(tǒng)與環(huán)境規(guī)劃技術(shù)兩者相輔相成。

地理信息系統(tǒng)用于環(huán)境規(guī)劃,可以簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢,對(duì)某個(gè)單一的環(huán)境因子進(jìn)行評(píng)價(jià),以及利用其獨(dú)特的圖形表現(xiàn)方式,描述環(huán)境現(xiàn)狀或預(yù)測(cè)。為加強(qiáng)理信息系統(tǒng)在環(huán)境分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)、規(guī)劃方面的應(yīng)用,模型分析越來(lái)成為一個(gè)重要內(nèi)容。

環(huán)境規(guī)劃專題圖件是領(lǐng)導(dǎo)部門了解環(huán)境現(xiàn)狀、制訂城市規(guī)劃、采取適當(dāng)環(huán)境治理措施和進(jìn)行社會(huì)效益發(fā)展決策的主要依據(jù)之一。利用地理信息系統(tǒng)軟件制作污染源分布和環(huán)境規(guī)劃圖具有以下優(yōu)點(diǎn):可以突出污染點(diǎn)源分布范圍的信息,省略其它信息量,避免其它無(wú)用信息的干擾?？梢栽谖廴军c(diǎn)源分布范圍上疊加上多種地理背景信息,以利于污染點(diǎn)源分布范圍的辨認(rèn)和精確定位。除基礎(chǔ)性的自然地理(地形、地貌、地質(zhì)、土壤、植被、水系、氣象等)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)(行政邊界、人口密度、交通運(yùn)輸、市政管網(wǎng)、名勝古跡等)等圖形制作以外;環(huán)境規(guī)劃中專題圖件,如污染源分布圖、區(qū)域污染現(xiàn)狀圖、區(qū)域污染評(píng)價(jià)圖、環(huán)境功能區(qū)劃圖、城鎮(zhèn)布局最優(yōu)設(shè)計(jì)圖等均可采用理信息系統(tǒng)技術(shù)制作。

2.地理信息系統(tǒng)在環(huán)境管理中的應(yīng)用

環(huán)境管理理信息系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)是為環(huán)境管理服務(wù)的信息系統(tǒng),它采用理信息系統(tǒng)的一套建立、管理、應(yīng)用方法,力圖使環(huán)境管理數(shù)據(jù)得到良好的應(yīng)用。環(huán)境管理理信息系統(tǒng)將先進(jìn)的理信息系統(tǒng)空間分析技術(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間圖形庫(kù)結(jié)合起來(lái),是環(huán)境問(wèn)題決策的過(guò)程更加直觀、快速、實(shí)時(shí)和有效。

電子地圖使環(huán)境管理工作變得輕松直觀，由于采用空間數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)掛接,改變了傳統(tǒng)的信息管理方法,地圖由傳統(tǒng)的靜態(tài)紀(jì)錄變?yōu)樾畔⒇S富多樣的動(dòng)態(tài)的電子地圖,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化。它使環(huán)境主管部門對(duì)各種環(huán)境要素的管理變得直觀、簡(jiǎn)單和輕松。如通過(guò)直接對(duì)地圖要素進(jìn)行查詢,可以獲得環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、污染源等的空間分布及其與環(huán)境敏感區(qū)域的空間關(guān)系等信息。可以對(duì)各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的統(tǒng)計(jì)并分析以及采用直觀的豐富多樣的表現(xiàn)方式進(jìn)行展示,為環(huán)境決策提供科學(xué)快捷的支持。

危險(xiǎn)物運(yùn)輸管理，借助 GIS 的運(yùn)行路徑選擇功能,可以對(duì)危險(xiǎn)物轉(zhuǎn)移運(yùn)輸線路進(jìn)行優(yōu)化選擇,能避開(kāi)人口集中居住區(qū)、飲用水源地等環(huán)境敏感區(qū)域制定運(yùn)輸計(jì)劃，并可以通過(guò)GPS對(duì)危險(xiǎn)物的運(yùn)輸線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

環(huán)境模型模擬分析，環(huán)境模型在環(huán)境決策中有著重要的作用,如可以通過(guò)模型模擬出污染事故發(fā)生后各個(gè)時(shí)間的擴(kuò)散情況,為決策提供科學(xué)的參考依據(jù)。

為數(shù)字環(huán)保提供技術(shù)平臺(tái)，數(shù)字環(huán)保是最近提出來(lái)的終極環(huán)境管理系統(tǒng),它是繼數(shù)字地球概念提出以后,環(huán)保領(lǐng)域提出的新概念,它將是未來(lái)十年環(huán)保領(lǐng)域信息化建設(shè)的終極方向,EGIS 作為數(shù)字環(huán)保的基礎(chǔ)平臺(tái),將能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境信息服務(wù),也能夠?yàn)榄h(huán)境管理者提供決策信息,逐步控制污染,改善環(huán)境狀況,提高人民生活水平。

3.地理信息系統(tǒng)在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中應(yīng)用

相對(duì)而言環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究已取得較大進(jìn)展，多數(shù)環(huán)境問(wèn)題、環(huán)境過(guò)程都能以現(xiàn)有模型準(zhǔn)確地描述出來(lái)，如大氣擴(kuò)散模型、三維水質(zhì)模型，等等。但這些環(huán)境模型在空間數(shù)據(jù)操作特別是結(jié)論的直觀顯示方面仍存在較多的困難。相較于此，地理信息系統(tǒng)的空間查詢與分析、圖形與交互顯示兩大功能模塊恰恰能為環(huán)境模型提供一整套嚴(yán)謹(jǐn)可行的空間操作規(guī)范，對(duì)于環(huán)境模型研究對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化包括移動(dòng)、擴(kuò)散等都能起到直觀的分析管理與顯示輸出作用。同時(shí)，理信息系統(tǒng) 的基本研究對(duì)象是抽象的空間實(shí)體及其屬性，環(huán)境影響評(píng)價(jià)對(duì)象是包括水、大氣、噪聲等存在空間分布特征的環(huán)境要素。由此可見(jiàn)，地理信息系統(tǒng)（理信息系統(tǒng)）在研究對(duì)象上也表現(xiàn)出相似性，二者的有機(jī)結(jié)合是完全是可行的。

環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀與影響評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)評(píng)價(jià)場(chǎng)地或建設(shè)項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)以及環(huán)境評(píng)價(jià)模型的集成，理信息系統(tǒng) 能夠?qū)Νh(huán)境信息作出綜合分析、模擬和預(yù)測(cè)，是環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀分析以及輔助決策的有力工具。譬如說(shuō)，在工程項(xiàng)目建設(shè)期和營(yíng)運(yùn)期中，理信息系統(tǒng) 可通過(guò)應(yīng)用分析模型對(duì)工程污染物排放及其對(duì)于生態(tài)環(huán)境諸要素如水、大氣等的影響范圍和影響程度加以量化評(píng)價(jià)。同時(shí)，理信息系統(tǒng) 的三維分析和顯示功能也能對(duì)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元化的單要素或區(qū)域綜合評(píng)價(jià)，以等值線圖的形式輸出污染物的空間分布情況，輔助EIA系統(tǒng)歸納出污染物空間分布的規(guī)律性特征。

環(huán)境影響后評(píng)價(jià)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，環(huán)境影響后評(píng)價(jià)是指建設(shè)規(guī)劃或項(xiàng)目實(shí)施后的環(huán)境影響評(píng)價(jià)。作為環(huán)境影響評(píng)價(jià)的后續(xù)工作，其目的在于檢驗(yàn)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度以及對(duì)應(yīng)舉措的有效性。其中，理信息系統(tǒng) 的功能即表現(xiàn)為強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理及分析能力。就高速道路建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響后評(píng)估而言，就可以在理信息系統(tǒng) 空間分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用圖形疊置、AHP 層次分析的技術(shù)路線高速公路作環(huán)境影響后評(píng)價(jià)。

4.理信息系統(tǒng)技術(shù)在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)空間信息系統(tǒng)是一個(gè)集空間數(shù)據(jù)管理和資源評(píng)價(jià)于一體專題性空間信息系統(tǒng).用集信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)及空間科學(xué)等為一體的理信息系統(tǒng)技術(shù)所建立的水環(huán)境應(yīng)用模型,可為理信息系統(tǒng)技術(shù)在水資源管理與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供新的思路和方法。地理信息系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)具有速度快、準(zhǔn)確性與自動(dòng)化程度高、動(dòng)態(tài)性與可重復(fù)性強(qiáng)以及可視化等特點(diǎn),便于及時(shí)對(duì)地下水系統(tǒng)的變化進(jìn)行跟蹤分析與計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了在理信息系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行信息輸入、查詢、更新、合成、分析與評(píng)價(jià),為地下水系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分析提供了重要途徑。理信息系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用污染源理信息系統(tǒng)系統(tǒng)將提供以下功能: 污染源點(diǎn)定位，通過(guò)地圖上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)查詢?cè)擖c(diǎn)的各種污染指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù),例如降塵、硫酸鹽化速率、酸雨等。污染源現(xiàn)狀分布圖，根據(jù)已有空間分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的某項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算并繪出全區(qū)該項(xiàng)指標(biāo)空間分布的等值線圖。污染狀況動(dòng)態(tài)變化圖，可查詢某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的某項(xiàng)指標(biāo)隨時(shí)間變化的情況,并以三維的形式表示。功能區(qū)噪聲查詢，根據(jù)不同區(qū)域的噪聲值在地圖上標(biāo)出不同的顏色,鼠標(biāo)指到指定位置。其他，包括固廢堆放點(diǎn)、土壤、農(nóng)作物等,主要包括點(diǎn)位查詢、信息查詢、動(dòng)態(tài)變化圖等。污染源地理信息系統(tǒng)可以有效整合多年環(huán)保業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù),包括污染源分布、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面等專題空間數(shù)據(jù),以及環(huán)境統(tǒng)計(jì)、排污申報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。并在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件開(kāi)發(fā),為環(huán)保業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)提供結(jié)合空間信息的可視化查詢、分析、發(fā)布,更加直觀、高效地為環(huán)保工作提供輔助決策支持服務(wù)。

5.地理信息系統(tǒng)在水環(huán)境功能區(qū)劃工作中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)在水環(huán)境功能區(qū)劃工作中的應(yīng)用,能夠起到以下四方面的作用:地理信息系統(tǒng)(GIS)以其強(qiáng)大的空間、屬性信息處理能力,使以往抽象的空間信息得以簡(jiǎn)捷直觀的展示,實(shí)現(xiàn)了表述的數(shù)字化、信息的有序化,內(nèi)容的層次性和系統(tǒng)的開(kāi)放性,能夠?yàn)槁毮懿块T提供準(zhǔn)確的空間、屬性信息;對(duì)水域空間進(jìn)行了水域分類區(qū)劃,建立了各水環(huán)境功能區(qū)翔實(shí)直觀的信息庫(kù),將我市水環(huán)境管理出發(fā)點(diǎn)、最終目標(biāo)以及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)到各個(gè)水環(huán)境功能區(qū),為不同功能水域分類管理提供依據(jù);建立了水環(huán)境功能常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面、取水點(diǎn)、排污口的點(diǎn)位分布信息庫(kù),并留有與其他水質(zhì)、污染源數(shù)據(jù)庫(kù)連接的數(shù)據(jù)接口;構(gòu)建了水陸并重、新型環(huán)境管理的數(shù)字管理平臺(tái),在管理的需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行新的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)。

地理信息系統(tǒng)在環(huán)境方面還有眾多的應(yīng)用，比如：生態(tài)現(xiàn)狀分析，環(huán)境應(yīng)急預(yù)警預(yù)報(bào)。將地理信息應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)工作中去,使環(huán)境信息系統(tǒng)更好地為環(huán)境管理決策提供支持。為環(huán)境工作更加人性化。

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