纳米材料在环境安全领域的研究趋势分析

朱洪润　梁广生

摘 要：环境安全是我国科学研究的重点领域，随着科学技术的不断发展，越来越多新的技术和材料被广泛的应用于环境安全领域，其中最具代表性的是纳米材料的应用。纳米材料被科学家认为是新世纪最具前途的材料，如今，纳米技术和纳米材料已经在多个领域中有不同程度的渗透。本文则主要从环境安全的角度出发，对于纳米材料在环境安全研究领域中的若干问题进行简单的探讨。

关键词：纳米材料；纳米技术；环境安全；环境治理

纳米材料指的是晶粒尺寸为纳米级（10-9μm）的超细材料，纳米科技的发展速度将超过其他研究领域，而逐渐成为世界科学发展的核心领域，纳米科技将为人类带来一场新的技术革命。如今，环境安全问题已经成为全球国家关注的重点问题，随着人类社会的不断发展，工业化程度越来越高，随之而形成的环境问题也日益严重，大气污染、水污染等问题正困扰着人类科学家。近年来，不断有科学家将纳米技术和纳米材料应用到环境治理工作中，取得了突破性的进展。

一、纳米材料的特征

1.表面效应。纳米材料与其他科技材料不同，其会随着时间的变化而形成不同的形态，利用显微镜对其表面进行观察可以发现，这些超微颗粒没有骨龄的形态，而是不断的变化，这与普通的固体形态和液体形态都有着很大的区别。当纳米超微粒径在10μm以下时，材料表面的原子会形成一种类似沸腾的运动状态；当粒径尺寸超过10μm时，则表面趋于稳定。由此可以看出，超微颗粒的活性很强，如果带有金属性质的超微颗粒暴露在空气中，会在短时间内发生自燃，因此为了避免自燃现象，通常在金属颗粒的表面都会包裹一层氧化膜，以此来增强纳米晶粒的稳定性。纳米材料这种特殊的表面效应，受到了催化剂研究领域的热捧，被广泛的应用于高效催化剂的制造。

2.小尺寸效应。纳米材料的晶体尺寸都很小，而且在一定的条件下，尺寸的量变会引起材料性质的质变，这种特殊的效应被称为小尺寸效应。晶粒的尺寸越小，则其结构表面的变化就会越大，这对于很多特殊的科学领域有十分重要的作用，如光学、力学、升学等，都可以利用纳米材料的小尺寸效应实现这些领域中的特殊技术研发。

二、纳米材料在环境安全领域中的应用

1.大气污染治理中的应用。目前，大气污染主要表现在空气中的硫化物含量过高、汽车尾气和室内空气污染等几个方面。第一，利用纳米材料对大气中的硫化物净化。硫化物含量过高是引起大气污染的主要因素，尤其是煤炭资源的燃烧产生的二氧化硫、一氧化碳等有害气体，是产生硫化物的主要途径。因此可以在煤炭燃烧的过程中加入纳米级催化剂，不仅有利于促进煤炭的充分燃烧，减少二氧化硫气体的产生；同时也可以提高煤炭能源的利用效率，可以使二氧化硫气体转化为固体，对其进行回收和处理，可以极大的减少由于煤炭燃烧而导致的硫化物产量。第二，用纳米材料对汽车尾气进行治理。汽车排放的尾气对人体健康危害较大，而且对大气环境也会造成严重的污染。如果可以运用纳米材料代替传统的燃料，则可以有效的减少汽车尾气中的有害物质。因此可以选择纳米复合材料制备与组装的汽车尾气传感器，对汽车排放的尾气量和有害物质含量进行实时监测，当尾气的排放量超过标准时，就会发出警报，并且及时做出空燃比的调整，以此来减少富有燃烧状态产生的有害气体，不仅可以对汽车尾气达到有效的治理，还可以减少燃油的消耗量。第三，室内空气的净化。在室内装修过程中产生的有害气体对人体造成的危害，往往更加严重，而且室内的密闭空气中有害气体的含量也超于室外环境，室内空气污染的有害气体主要有甲醛、苯等，利用纳米材料则杀死空气中的有害物质，达到净化空气的目的。纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能与细菌细胞或细胞内组成成分进行生化反应， 使细菌头单元失活而导致细胞死亡，并且使细菌死亡后产生的内毒素分解。

2.在水污染治理方面的应用。对于水污染的治理，主要从无机污染废水、有机污染废水和自来水治理等领域汇总。对于无机污染废水来说，其中含有大量的重金属，这不仅造成了资源的浪费，也会对人体产生较大危害。而纳米粒子则可以与水中的重金属离子产生化学反应，促进重金属离子的还原，如纳米TiO2粒子，可以通过其自身的氧化作用，吸引汞离子、银粒子等重金属离子吸附其表面，达到还原重金属离子的目的，既可以实现废水的净化，也可以对水中的重金属离子进行回收。有机污染废水治理的主要原理，是对有机污染物进行催化、降解处理，而纳米TiO2粒子具有很强的催化作用，因此可以实现对废水中有机污染物的催化和降解，将废水中的有机污染物进行催化氧化形成水和一氧化碳等物质，达到净化的目的。当前，利用纳米TiO2粒子可以催化和降解的有机污染物达80多种，利用纳米TiO2粒子净化后的有机污染废水，可以作为灌溉、工业用水等其他用用途。自来水是与人们生活息息相关的水源，利用纳米材料作为净化自来水的介质，可以吸附水中的悬浮物，去除水中的铁锈、泥沙等物质，达到净化自来水的目的。纳米级净水剂是当前自来水净化领域中应用的新型纳米科技，其具有超强的吸附能力，可以将污水中的悬浮物和颗粒吸附于表面，再形成沉淀物，进过处理后，就可以得到纯净水。

3.在其它环保领域的应用。除了大气污染、水污染的治理以外，纳米材料在噪声污染治理、固体废弃物处理以及照明工程都有着广泛的应用。噪声污染是工业时代常见的污染，车辆、设备等发动机的噪声可以达到上百分贝，将纳米科技应用到设备中，可以通过纳米颗粒对设备内部结构的撞击和摩擦变得轻微，噪声也随之减少。同时纳米材料还具有较强的润滑作用，可以延长设备的使用时间。对于固体废弃物的处理，则主要是运用纳米科技将废弃物进行超微处理，使其形成超微粉末，进行回收和再利用。在照明工程中，可以应用纳米材料光致发光特性，充分利用太阳能的照明作用，减少对能源和资源的消耗，也可以降低火力发电过程中排放的污染物。

三、纳米材料的应用趋势

纳米材料是目前科学研究的前沿领域，关于纳米材料在环境安全领域中的研究工作不断深入，对于纳米材料实用性的研究也来越多，这对于缓解大气污染、水污染等环境问题的治理将会起到很大的推动作用。纳米技术的应用除了可以用于环境治理，同时也可以融入到人类的生活和生产中，提高人们对环境保护问题的重视程度，并且改善破坏环境的行为，将治理转变为预防，这是纳米材料与环境安全领域结合的必然趋势。然而，纳米技术虽然拥有广阔的发展前景，但是其在环境安全领域中的应用尚不成熟，因此仍然需要我们不断的探索和研究，才能促进纳米技术和纳米材料的有效运用。

结束语

综上所述，本文着重探讨了纳米材料在环境治理中的应用，随着纳米研究工作的持续开展，纳米科技在环境保护领域中的应用也将更加广泛，在改变人们环保观念、改善人类环境行为方面也将发挥重要的作用。纳米科技作为一门新兴的科学，对环境安全领域产生的影响也是深远的，而将纳米材料应用于环境安全领域，成为环境保护的主流科技也是必然的趋势。（作者单位：广西民族大学相思湖学院）

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