无机纳米材料在电力环保中的应用

李逢波 淮北力源热电有限责任公司 235136

无机纳米材料在电力环保中的应用

李逢波 淮北力源热电有限责任公司 235136

纳米材料作为光催化剂可降解水中多种有机物，纳米滤膜以及纳米吸附在水处理中也有一定的应用。纳米材料的应用还存在于光催化转化SO2、NOx技术中。其中，纳米二氧化钛光催化剂有着性质稳定、无毒、价廉等优点。

纳米材料；光催化转化；二氧化钛；纳米滤膜；纳米过滤

1.前言

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。这里所说的基本单元包括零维的纳米粒子、一维的纳米线及二维的纳米薄膜由这些纳米尺度的基本单元构成纳米材料有多种方式，由此可以形成多种类型的纳米材料：纳米粉体材料是由纳米粒子构成的松散集合体；纳米粉体经过一定的压制工艺制成的具有高致密度的材料则为纳米块体材料，如纳米陶瓷、纳米金属与合金等；将纳米粒子制成薄膜或将纳米粒子分散到其他的薄膜中，进而形成的多层膜则为纳米薄膜材料；将纳米粒子分散到高分子、常规陶瓷或金属中，则又得到纳米复合材料。

纳米材料具有小尺寸效应(又称体积效应)、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应的独特性质，使得纳米材料具有辐射、吸收、催化、吸附等奇特的性能，因而在许多方面有着广阔的应用前景。

由于纳米材料具有的特殊性能使得它在水处理和大气处理中有着广泛的应用[1]。

2.纳米材料在水处理中的应用

2.1 纳米材料光催化降解水中污染物

纳米TiO2光催化降解有机物水处理技术具有无污染，除净度高等优势。此纳米材料具有以下优点：①具有巨大的比表面积，可与废水中有机物更充分的接触，将有机物最大限度地吸附在它的表面；②具有更强的紫外光吸收能力，有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。

纳米粒子可以对污水中的非金属离子进行氧化或还原而消除污染。Frank等人以TiO2为光催化剂处理含氰废水的研究发现，CN-首先被光催化氧化为OCN-，再进一步反应生成CO2、N2和NO。Frank还研究了TiO2在多晶电极／氙灯作用下对I-、Br-、Cl-、Fe2+、Ce3+等的光解，并发现TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3等对CN-和SO也可以进行光解，且能有效地将SO氧化为SO，从而降低污染度。

Cr6+离子具有极强的致癌性，毒性要比Cr3＋离子高出一百多倍。它是一种常见的工业污染物，地表水中Cr6+离子的最高允许含量为O.1mg·L－1。纳米二氧化钛光催化降解C r6+属于光还原反应,利用光催化反应技术将C r6+还原为C r3+,进而将C r3+转化为Cr(OH)3沉淀从溶液中分离出来。

利用纳米材料进行光催化反应还可以降解一些无机污染物质，如氯化物等，从而可以实现对水中各种污染物的综合治理[2]～[3]。

2.2 钠滤在水处理中的应用

纳滤是一种压力驱动膜分离过程，是介于反渗透与超滤之间的一种膜分离技术，由于其操作压力较低，对一、二价离子有不同选择性，对小分子有机物有较高的截留性，且具有设备投资低、耗能低的优点，所以是国内外膜分离领域研究的热点之一。

纳滤膜(Nanofiltration Membranes)的孔径范围大约在1～5个纳米左右，膜的截留分子量约为200～2000。纳滤膜大多是复合膜，其表面分离层由聚电解质构成，能截留高价盐而透过单价盐，能截留分子量100以上的有机物而使小分子有机物透过膜，能分离同类氨基酸和蛋白质，实现高相对分子量和低相对分子量有机物的分离，因而被广泛应用于食品、制药中的分离、浓缩、精制、工业废水处理、饮用水制备、物料回收等化工、生化、环保、冶金领域。例如，热电厂的二次废水中含有大量悬浮固体、灰份、高含量的盐份及部分有机物，利用纳滤膜技术可方便地把此类废水处理成工业回用水[4]。

2.3 纳米吸附材料在水处理中的应用

纳米材料的小尺寸效应和表面效应决定了材料超高的表面能力，以及超强的吸附能力。我们知道，污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于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很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质，它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝[5]。

3. 纳米材料在大气污染治理中的应用

3.1 纳米级助燃剂的应用

煤燃烧时也会产生SO2，如果在燃烧的同时加入一种纳米级助燃催化剂，可以使煤充分燃烧，不产生CO，使硫转化成固体的硫化物，不产生SO2,能源利用率也提高了。传统的烟脱硫技术脱硫剂难以再生,不仅运行成本高,而且越来越多的脱硫剂废弃物既浪费了土地资源又对环境造成了二次污染。李大骥等提出用低温烧结的纳米级TiO2作为烟气脱硫剂,其中(101)晶面衍射最强的锐钛矿型TiO2除了以物理吸附的方式吸附SO2之外,也催化了其表面因水化而富含羟基和被吸附SO2之间的反应生成H2SO3和H2SO4，在烧结温度为540℃时的吸附能力为27.1mgSO2/gTiO2，再生后吸附容量仍可以达到19.5mgSO2/gTiO2，这说明该纳米脱硫剂具有良好的再生能力。

3.2 光催化转化在大气处理中的应用

为了满足实际的光催化反应要求，经常将催化剂附着在载体上，构成复合催化剂或制成光催化膜以克服悬浮颗粒催化剂难于回收，不利于工业应用的缺点。催化剂对载体的要求是具有支撑催化剂，对光催化反应惰性，比表面积大，对被处理污染物有很强的吸附作用，易于分离等。对气相污染物的脱除使用多孔介质的载体可以增大反应场所。如将TiO2附着在陶瓷，玻璃纤维，硅胶，分子筛，药用炭等载体上可增大其比表面积，改善TiO2的活性，提高对污染物的降解率。就光催化转化NOx来说，在紫外光照射下，TiO2光催化剂可以很容易将NO转化为NO2和HNO3，但是很难转换NO2。若将催化剂附着在载体上可以增大催化剂的比表面积增强对NOx的吸附，提高对NO的转化率。

由于TiO2对去除NOx有良好的性能，因此将改性的TiO2催化剂用于脱氮中具有广阔的发展前景。

有实验表明，掺Fe3+与不掺Fe3+的纳米TiO2对氮氧化物光催化降解效率不同，掺Fe3+后纳米TiO2的光催化效率有明显提高。

掺适量的Fe3+,可以较好地阻止粒子的团聚,改善纳米TiO2粉的分散状态,这也是掺Fe3+纳米TiO2光催化效率得到提高的一个原因。由于Fe3+/Fe2+的能级靠近TiO2的导带能级,Fe3+/Fe4+的能级靠近TiO2的价带能级,因此,在TiO2中掺Fe3+,既可以成为电子的捕获位又可以成为空穴的捕获位,能够同时捕获电子和空穴,从而降低了电子空穴对的复合几率;并且,这种对电子和空穴的捕获是一种浅势捕获,很容易释放并能够有效地迁移到TiO2的表面参与光催化反应,提高了TiO2的光催化效率。

掺Fe3+的纳米TiO2在室内较弱紫外线的照射下,明显提高了光催化效率,仍从能级的理论作以下解释:由于Fe3+部分地取代了TiO2中的Ti4+, Fe3+/Fe2+的能级略高于TiO2的导带能级, Fe3+/Fe4+的能级略高于TiO2的价带能级,从而在TiO2的带隙中形成了新的能带,并且能级交错。这时,半导体光生电子在吸收较低的能量时即可以发生跃迁,从而导致光谱红移和光响应范围扩大,较弱的紫外线就能够激发光生载流子的产生,从而提高了光催化活性。

因此，在纳米TiO2中掺Fe3+,有效地促进了电子和空穴的分离和迁移,从而提高了纳米TiO2的光催化效率;扩大了光响应范围,提高了室内弱紫外光照射下对氮氧化物的降解率。从能级的理论可以很好地解释Fe3+在纳米TiO2的光催化过程中的作用。

作为一种主要的大气污染物，SO2所造成的危害(如酸雨等)已引起公众特别是环境保护工作者的关注。目前，一般采用催化燃烧、化学氧化和吸附等方法对SO2加以去除，但都有一定局限性，如设备投资及运行费用较高，去除不完全及有二次污染等.因此，开发新型实用的环保技术是非常必要的。随着研究的深入，人们发现半导体光催化剂在光催化氧化去除污染物方面，具有能耗低、反应条件温和、操作简便、可减少二次污染等突出特点，有着诱人的应用前景。作为一种重要的半导体光催化剂，ZnO在能量的转换与储存及光催化降解水体中的有机污染物等方面均有报道。但是，对气相光催化反应的研究报道甚少，尤其是对主要大气污染物之一的SO2，用光催化氧化去除的研究尚不多见。另外,作为一种重要的新型材料，由于超微粒子在磁性、光吸收、化学活性和催化等方面具有特异的性质，已引起人们的高度重视。此外，大气中浮游的固体物质可能含有半导体(TiO2，ZnO和PbO等)，它们受光照射可引发光致氧化还原反应，这对于用光化学反应消除大气污染是有利的[6]～[8]。

4.前景展望

光催化技术在环境保护中的应用越来越受到人们的重视。它可以太阳光作为能源，降低运行费用，对于保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。但此项技术还处于由实验室向工业化发展的阶段，还有许多工作要做。如何以最经济、最简便的方式将纳米材料应用到实际生产中去清除大气和水体的污染，还要经过长时间的努力才能实现。

纳米技术在空气污染控制中的应用，不仅可以直接降解或吸附空气中的污染物，而且还可通过新的清洁能源开发，从根本上解决现行能源燃烧时产生的废气污染问题。而纳米技术在水污染控制中的应用，可以大大提高水中难去除物质的去除率，使复杂的处理过程简单化，成本下降。可以预见，利用纳米技术的环保工艺和技术将成为未来环境保护技术发展的趋势。

[1]张志焜,崔作林.纳米技术与纳米材料.第1版.北京：国防工业出版社.2001

[2]王峰.纳米TiO2光催化降解铬（Ⅵ）的研究.南京理工大学，学位论文.2004

[3]梁奇峰，曾育才.纳米技术及其在水处理中的应用.广州化工.2004，32（1）：17－19

[4]阎光明，李桂枝等.纳滤膜在水处理中的应用.环境工程.2001，19（1）：23－25

[5]刘转年，金奇庭，周安宁.纳米技术处理废水.环境污染治理技术与设备.2002，3（10）：75－78

[6]张汝冰，刘宏英，李凤生.纳米材料在催化领域的应用及研究进展.化工新型材料.27（5）：3－5

[7]赵联芳，傅大放，钱春香.掺杂Fe3+的纳米TiO2光催化降解氮氧化物研究.东南大学学报（自然科学版）.2003，33（5）：677－680

[8]井立强，孙晓君，徐自力，蔡伟民，杜尧国.ZnO超微粒子光催化氧化SO2的研究.催化学报.2002，23（1）：37－40