第一篇：题目 纳米材料在环境治理的应用
题目 纳米材料在环境治理的应用
摘要 随着工业的不断发展，环境污染日益严重，传统废水、废气处理工艺、方法已不能满足需要。法律制定和新材料的研制刻不容缓。光催化反应的应用研究已在有机物降解、水质处理、环境保护等领域广泛展开, 利用日光进行光催化反应是光催化反应应用研究的重要课题。光催化技术为彻底解决水污染问题提供了新的手段。纳米二氧化钛是目前最受人们关注的光催化剂之一。本文介绍了纳米技术在废水处理、大气环境控制和固体废弃物处理中的应用进展情况,并对其应用前景作了展望。全球性的环境污染及生态破坏, 许多有毒有害的有机污染物被水体和土壤自净的速度很慢而净化不彻底, 并且在水体中存在时间长、范围广, 对人类潜在影响很大, 如许多有机物或其降解的中间产物具有致癌、致畸、致突变三致性, 这些有机污染物采用传统的生物处理工艺已难以去除.迫使人们对环境问题给以足够的关注, 并研究和开发出一系列用于环境污染物治理的新技术和新方法,光催化技术作为其中一种新兴的环境净化技术,其实用化的研究和开发已受到广泛的重视。[1] 关键词 环境保护 纳米技术 二氧化钛 现状 展望 大气污染 水污染 固体废弃物污染 正文 众所周知，在整个自然生态系统中，人类仅仅是其中一环。然而，随着经济和科技的发展，人类社会的不断地进步，人类在整个自然生态系统中的影响范围和程度越来越深远。在理性主义和人类中心等价值观和科技进步的双重影响下，人类活动在征服自然的过程中对资源的使用和对生态环境的破坏也达到空前的程度，引发了一系列环境问题。例如当今威胁人类的十大生态环境问题有：人口膨胀、能源危机、大气污染、臭氧层的破坏、生物资源急剧减少、全球变暖、森林减少、土地荒漠化与水土流失、水污染与水资源短缺、危险性废物越境转移。制定了相关法律法规我国大气污染防止法律法规有：1956年5月25日国务院公布的《关于防止厂矿企业中矽尘危害的决定》，70年代《工业“三废”排放试行标准》、《工业企业设计卫生标准》，80年代以来《大气环境质量标准》、《锅炉烟尘排放标准》、《汽油车怠速污染物排放标准》、《钢铁工业污染物排放标准》、《核电厂环境辐射防护规定》，《汽车排气污染监督管理办法1990》、87年颁布《大气污染防治法》、《大气污染防治法实施细则》。国务院和地方各级人民政府在大气污染防治中总的职责：⑴必须将大气环境保护工作纳入国民经济和社会发展计划。⑵必须合理规划工业布局。“预防为主”，从源头治理大气污染。⑶必须加强大气污染防治的科学研究。⑷必须采取防治大气污染的措施，保护和改善大气环境。如煤炭洗选加工、改进城市燃料结构、推广高标号无铅汽油等。⑸采取有利于大气污染防治及相关的综合利用活动的经济、技术政策和措施。⑹各级人民政府应当加强植树造林、城市绿化工作。水污染防止的法律规定：《生活饮用水卫生标准（试行）》、《渔业水质标准（试行）》、《农田灌溉水质标准（试行）》；
2、1984年《水污染防治法》（1996年修改）；
3、1989年《水污染防治法实施细则》（2000年修改），《污水综合排放标准》等。防治固体废物污染环境的法律规定：
1、72年《海洋倾废公约》；
2、85年《关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定》 ；
3、89年《控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公约》等；
4、91年《防治含多氯联苯电力装置及其废物污染环境的规定》；
5、92年《防治尾矿污染环境管理规定》 ；
6、92年《关于防治铬化合物生产建设中环境污染的若干规定》；
7、92年《城市市容和环境卫生管理条例》；
8、93年《城市生活垃圾管理办法》；
9、95年《固体废物污染环境防治法》；
10、96年《关于进一步开展资源综合利用的意见》。防止海洋污染损害的法律规定：1974年颁布《防止沿海水域污染暂行规定》 ；1982年颁布《海洋环境保护法》（1999年修改）；为实施该法，国务院先后颁布了；《防止船舶污染海域管理条例》；《海洋石油勘探开发环境保护管理条例》；《海洋倾废管理条例》；《防止拆船污染环境管理条例》；《防治陆源污染物污染损害海洋环境管理条例》；《防治海岸工程建设项目污染损害海洋环境管理条例》等，1982年以来，还发布了《海水水质标准》、《船舶污染物排放标准》、《海洋石油开发工业含油污水排放标准》、《渔业水质标准》、《景观娱乐用水水质标准》等海洋环境保护的国家标准，《海洋调查规范》、《海洋监测规范》等海洋环境保护规范。先后加入了《国际防止船舶污染公约》和《联合国海洋法公约》等国际海洋环境保护公约。环境噪声污染防止的法律规定：
1、《城市区域环境噪声标准》（1982）；
2、《中国人民解放军空军关于减轻飞机噪声的影响的通知》；
3、《民用机场管理规定》（86）；
4、《环境噪声污染防治条例》（89年）
5、《中华人民共和国环境噪声污染防治法》（96年）等。工业噪声污染防治的规定：⑴达标排放。⑵环境噪声排放申报登记制度。⑶偶发性强烈噪声排放的申请和公告制度。确需排放须事先向当地公安机关提出申请，批准后方可进行。当地公安机关应当向社会公告。
防治有毒化学品污染物的法律规定：1987年国务院颁布《化学危险物品安全管理条例》、1991年国家环保局、能源部发布《防止含多氯联苯电力装置及其废物污染环境的规定》。
7、1992年化工部，国家境保局发布了《关于防治铬化合物生产建设中环境污染的若干规定》。
8、1993年国务院经济贸易办公室、卫生部发布《关于停止生产和销售萘丸的通知》，9、1994年，国家环保局、海关总署、对外贸易经济部发布了《化学品首次进口及有毒化学品进出口环境管理规定》。
10、联合国环境署87年《关于化学品国际贸易资料交流的伦敦准则》(93年参加)。
11、2003年4月1日环保总局《新化学物质环境管理办法》；10月15日实施。防止放射性污染的法律规定：74年《放射防护规定》，86年《民用核设施安全监督管理条例》，84年《核电站基本建设环境保护管理办法》，87年《城市放射性废物管理办法》，89年《放射性药品管理办法》和《放射性同位素与射线装置放射防护条例》，90年《放射环境管理办法》等。《中华人民共和国放射性污染防治法》于2003年6月28日通过，自2003年10月1日起施行。
农药污染防止的法律规定：55年《关于严防农药中毒的联合通知》，82年《农药安全使用规定》和《农药登记规定》《农药登记规定实施细则》，84年《农药安全使用标准》和《农药合理使用准则》等，96年，农业部、国家环境保护局，国家工商行政管理局等五个部门联合发出通知，严禁在蔬菜生产中使用高毒，高残留农药，防止有毒有害蔬菜进入市场，以确保人民食菜安全。97年《农药管理条例》，1999年4月27日农业部农药管理条例实施办法，2002年6月18日 农业部《农药限制使用管理规定》。
现在环境问题已经威胁到人类的生存和发展，因此，环境保护也应该成为全世界人必须共同关注的话题。为了人类社会的持续进步和人类后代的生存，人类必须要坚持可持续发展，而为了实现可持续发展我们可以利用充分开发清洁能源，节能减排，利用绿色材料，崇尚低碳生活等方法。其中，随着纳米材料的悄然崛起，纳米技术在环境保护方面的应用也越来越多，人类利用资源和保护环境的能力也得到拓展。为彻底改善环境和控制新的污染源产生, 纳米材料为其提供了技术支持。
关于环境材料 有关环境材料目前国际上还没有统一的说法，归纳起来可分为以下十类：节约能源、节约资源、可重复使用、可循环再生、结构可靠性材料、化学稳定性、生物安全性、有毒有害替代、舒适性、环境材料的合成与加工工艺等几个方面。下面简单对环境工程材料的几个方面作介绍：
1、环境净化材料，环境净化材料包括水污染控制材料，大气污染控制材料等其他的环境控制材料。（1）、水污染控制材料
常用的废水处理方法可分为以下3类：①分离处理，即通过各种外力的作用使污染物从废水中分离出来，通常在分离过程中并不改变污染物的化学性质；②转化处理，即通过化学或生化的作用，改变污染物的化学性质，使其转化为无害物或可分离的物质，再经分离处理予以除去；③稀释处理，即将废水进行稀释混合，降低污染物的浓度，减少危害。针对不同的水处理方法，开发了不同用途的环境工程材料。目前，用于废水分离工艺的主要包括用于过滤、吸附的滤料、吸附剂、膜分离材料等；用于废水生化处理的主要有用于固定微生物的金属或陶瓷载体；用于废水化学处理的主要有高效率并且不产生二次污染的各种催化剂，如二氧化钛光催化剂等。
利用吸附剂的物理吸附、离子交换、络合等特点，能够去除水中的各种金属离子，主要用于处理含重金属元素的废水。此外，物理吸附还能够吸附水中的颗粒物以及部分有机污染物。吸附剂的开发主要考虑其吸附效率、选择性、成本等性能。天然沸石由于来源广泛、处理效果好、不产生二次污染等优点，目前已逐渐替代传统的活性炭吸附剂成为主要的水处理吸附剂。利用天然沸石作为基体，在分子尺度范围内可控地破坏孔洞结构，进行造孔，制得了一种新型介孔复合吸附材料。
近年来有很多关于改性多聚糖吸附剂的研究，由淀粉、糊精、壳素等天然生物质中提取多聚糖，制备交联多聚糖吸附剂的研究。沉淀分离方法也是水处理中经常使用的分离工艺。治理水污染的沉淀分离工艺过程用材料，包括用于絮凝沉淀的絮凝剂和化学沉淀的沉淀剂2种。高铁酸盐絮凝剂是水处理中已广泛使用的絮凝剂，能够有效降解有机物，去除悬浮颗粒及凝胶，其瓶颈在于产率比较低，前处理工艺对其治理效果有一定的影响。因此，研究主要集中在改善制备工艺、提高产率以及产物的稳定性、寻找替代次氯酸盐以及氯化物的氧化剂等方面。
市政生活污水通常采用生化处理工艺。固定化微生物技术是使用化学或物理的方法将游离细胞定位于材料的限定空间中，并使其保持生物活性且可反复利用的生物技术。这种水处理方法具有生物浓度易控制、耐毒害能力强、菌种流失少、产物易分离、运行设备小型化等特点，但是固定化材料性能的不足限制了其应用。利用粘土矿为主要原料，添加适当的膨胀剂并用纳米材料进行改性，控制适当的烧制工艺，研制出了一种新型的水处理填料———纳米改性陶粒，在达到相同处理效率的条件下，水力负荷提高了14.3%，出水水质好，运行稳定（2）、大气污染控制材料
目前，治理大气污染通常使用吸附法、吸收法和催化转化法。相应的大气污染控制材料包括吸附剂、吸收剂和催化剂，主要应用于工厂、住宅区锅炉等固定源与机动车等活动源排放的气体污染物的净化。稀土汽车尾气净化催化剂是近年来发展起来的一类重要的环境工程材料，它能够在一定条件下催化大气中的有害气体成分，如NOx、CO、CH等转化为N2和CO2。汽车尾气的净化催化剂通常采用铂、钯、铑等贵金属作为主要的活性组分。近年来，为了节约贵金属资源，开始研究利用过渡金属、稀土元素部分替代或全部替代贵金属，进行汽车尾气净化处理，取得了很好的效果。
目前，这方面的研究热点主要集中在减少贵金属用量、提高催化效率以及催化剂稳定性等方面。作为稀土催化剂载体的多孔蜂窝陶瓷近年来也成为研究的热点。
二氧化钛光催化剂的研究近年来成为材料科学研究的热点之一，由于其化学性能稳定、无毒、价廉以及光催化活性高而引起了广泛的重视。利用Sol-Gel、磁控溅射2种方法分别制备了锐钛矿相的纳米TiO2粉末和固定化的薄膜，研究了微观结构对光催化性能的影响及催化机理。在此基础上提出了利用离子注入和纳米镶嵌改变材料的能带结构，从而达到提高TiO2光催化活性的目的。近年来，TiO2光催化剂的多种类型的产品陆续出现，如自清洁玻璃、卫生洁具等。根据研究，超声波对二氧化钛光触媒可起到催化作用，从而促使二氧化钛激发液体成分发生变化，释放出杀菌成分。将大肠杆菌加入纳米二氧化钛水溶液，经超声波作用75 min，杀灭率可达到100%。
室内环境污染也是大气污染的一种，污染源主要是外界大气、房基或家居中的化工涂料、染料等。近年来利用TiO2光催化剂【13】将空气中的有机物分解为CO2、H2O和相应无机酸，日益成为国内外研究的热点。载人航天器座舱内的空气净化主要采用生物空气过滤器BAF（Biological Air Filter）【14】。最初，这种过滤器主要采用的基质是土壤，后来用一些质量更轻、孔隙度和比表面积更大的天然有机物质如堆肥、树皮、泥炭等。这种生物空气过滤器比起物理/化学的方法，如化学清洗、吸附和催化转化等的费用要廉价得多，但是只适用于低浓度污染物的室内空气净化。
沸石和活性炭纤维良好的吸附性能也可以应用于处理废气和净化空气。例如，沸石对于大气中的碳氢化合物、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氢等具有良好的吸附、净化功能，可用于汽车尾气净化剂。在二氧化硫烟气净化方面，开发出了离子交换树脂吸附型净化材料以及利用稀土氧化物材料作为催化剂的干法脱硫。离子交换树脂是以丙烯、苯乙烯为原料，经交联悬浮共聚，制成多孔柱状树脂，再经碳化处理而得到的。稀土氧化物CeO2是非常有应用前景的新型吸收剂，能够在很宽的范围内与SO2反应，而且在适当的条件下可再生，可以使吸收剂产生的废气转化为硫。作为潜在的吸收剂CeO2可以同时脱去烟气中的二氧化硫和氮氧化物，其脱氮和脱硫效率都大于90%，目前此类研究正处于实验室阶段。
2、环境修复材料，环境修复指对已破坏的环境进行生态化治理，恢复被破坏的生态环境。常见的环境修复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层修复材料等。（1）、固沙制备材料
大力防治土地沙漠化和荒漠化是实现社会和国民经济可持续发展的一个重要问题。研制、开发新型固沙植被材料，保持水土、减缓沙漠化是生态环境材料工作者义不容辞的责任。目前的固沙植被材料主要有两大类：一类是高吸水性树脂，另一类是高分子乳液。目前，这些材料主要用于沙漠与荒漠化地区交通干线沿线的护路以及荒坡固定等。技术已经成型的固沙剂具有固结速度快、强度高、无毒害、易于操作等优点，但通常成本较高。(2)其他环境修复材料
全球气候变暖、温室效应加强，是各国政府目前密切关注的环境问题之一。如采取积极的措施，将CO2转化为其他有用的材料，是控制CO2排放、治理气候变暖的一个重要途径。日本研制的用于保护臭氧层的转化氟利昂的新型催化剂，以及用CO2作原料来生产甲醇的技术是2个典型的例子。前者可大大降低臭氧层的破坏程度，使人们免遭紫外线照射之苦，而后者则可有效地降低CO2所产生的温室效应。它们都可改善人类居住的环境，同时还可带来巨大的经济效益。
随着全球性生态环境的恶化，环境修复材料在未来将遇到更大的机遇与挑战。温室效应、臭氧层空洞、POPs污染等重大环境问题，无一不是依靠材料科学与技术的进步才能够解决的。开发新型材料是今后发展的主要思路，如从各式各样的废弃物中提取有用成分制备可降解的固沙材料，既降低了成本，又可有效地解决废弃物的处理问题。总之，环境工程材料必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。
四、环境材料的发展趋势
就目前状况而言，城市建筑不断增多，人们汽车拥有量不断加大，环境材料的发展已成必然，合金材料将向着耐热材料、超低温结构材料、轻质耐久性材料方向发展；开展更多的绿色化工产业，实现“原子经济性”采用3R方法，减量化，再生利用和再循环利用等，并将构建绿色制造数据库形成完整的绿色生态加工体系。
一、纳米技术及其特性 纳米技术是指1~100nm尺度范围内的科学技术，研究尺度界于原子、分子与宏观物体之间的规律和特征，当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成“纳米材料”，纳米材料通常以其表面原子数占总原子数比例大，还有显示量子尺寸效应这两个重要特点而影响其各种物理和化学性能, 使纳米颗粒具有独特的性质。不仅光、电、热、磁性发生变化，而且具有辐射、吸收、催化等许多新特性。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。
光催化氧化法处理、净化受污染体的方法是一种高级氧化技术, 对许多有毒有害的有机污染物的处理均显示出其独特的优势, 如氧化降解水体中不饱和有机化合物、芳烃、卤化烃、芳香类化合物、杂环化合物、染料、表面活性剂有机氮磷农药等.光催化能将难降解有机污染物氧化、分解, 直至H2O、CO2和无机盐等, 使有机物部分或完全矿物质化(矿化), 从而达到污染物无害化处理的要求.目前,用于光催化降解环境中污染物的催化剂多为N型半导型材料, 如T iO2、ZnO、CdS、WO3、SnO、Fe2O3 等, 其中TiO2 因其活性高、稳定性好, 对人体无害而成为最受重视的一种光催化剂。实验表明, T iO2 至少可以经历12 次的反复使用而保持光分解效率基本不变, 连续580 分钟光照下保持其活性, 因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。
二、TiO2 光催化净化机理及优势
显著优势:(1)以太阳光为最终要求的辐射能源，把太阳能转化为化学能加以利用。太阳光，是取之不尽、用之不竭的，因此大大降低了处理成本，是一种节能技术。
(2)光激发空穴产生的·OH 是强氧化自由基，可在较短时间内成功分解水中难降解有机物在内的大多数有机物，它还能分解水中微量有机物，因此是一种普遍实用的高效处理技术。(3)半导体光催化技术具有稳定性高、耐腐蚀、无毒的特点，并且在处理过程中不产生二次污染，从物质循环的角度看，有机污染物能被彻底无机化，因此是一种洁净的处理技术。(4)对环境要求低，对pH 值、温度等没有特殊要求。
(5)处理负荷没有限制，即：可以处理高浓度废水，也可以处理轻微污染水源水。在水污染物治理中的应用 案例：2006长江淡水豚中外联合考察队经历了39天长江航行后遗憾宣布，来回近3400公里考察未发现一头白鳍豚，这个结果证明白鳍豚种群状况极度濒危，可能成为世界上第一个被人类消灭鲸类动物。白鳍豚是仅生存中国长江中下游珍稀水生哺乳动物，属国家一级保护动物，被列为世界最濒危12种动物之一。白鳍豚5岁～6岁性成熟，1年怀胎，一年哺乳，一胎一仔，习惯以小家庭形式生活。这一消息让人感到恐惧，如果再不好好地治理长江，好好地治理水污染，会有更多的物种灭绝。
长江生态恶化，是沿江经济布局不合理恶果。据统计，全国两万多家化工企业，分布长江沿岸就有9000多家，占全国45%。三峡库区大中型工矿企业3000多家，化工厂有2000多座。这些化工企业污染严重，为发生重大污染事件埋下严重隐患，一旦发生污染事故，后果不堪设想。
随着人口的增加和工农业生产的增长，人类的用水量大大增加，排污量也空前猛增，水污染非常严重，加剧了水资源危机的程度。当前，全球80多个国家的15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态，所以保护水资源,节约用水势在必行。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。而纳米技术在水污染治理方面也有突出表现。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质，它们从污水中流失，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完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10~20倍。所以，纳米技术在污水处理的很多领域都起到重要作用。(1)有机废水的降解处理
TiO2 光催化反应能有效地将染料废水、农药废水、表面活性剂、氯代物、氟里昂、含油废水等废水中的有机物降解为H2O、CO2、PO43-、SO42-、NO3-、卤素离子等无机小分子, 达到完全无机化的目的。大量研究表明纳米TiO2等作为光催化剂，在阳光下催化氧化水中的有机污染物，使其迅速降解。至今为止己知纳米TiO2能处理80余种有毒污染物，它可以将水中的各种有机物很快完全催化氧化成水和CO等无害物质。例如纳米Ru／TiO2作催化剂，对酸性或碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机总碳的去除率可达到99．6％，并使废水完全脱色。经光催化空气氧化处理后的工厂废水对弧菌的毒性的实验表明，用该方法处理后的工厂漂白废水完全可以进一步生物降解。此外，用纳米TiO2催化降解技术来处理毛织染整废水，具有省资、高校、节能的优势，最终能使有机物完全矿化，不存在二次污染等问题，显示出良好的应用前景(2)无机废水的处理
许多无机物在TiO2 表面也具有光化学活性。利用T iO2 催化剂的强氧化还原能力, 可以将污水中汞、铬、铅以及氧化物等降解为无毒物质。Ser pone 等报道了用T iO2 光催化法从Au(CN)-4 中还原Au, 同时氧化CN-为NH3 和CO2的过程, 该法用于电镀工业废水的处理, 不仅能还原镀液中的贵金属, 而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染, 是一种有实用价值的处理方法。
二、纳米材料在大气污染治理方面的应用
大气污染一直都是各国政府需要解决的难题，空气中超标的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物是影响人类健康的有害气体。在我国，“大气污染导致每年有30到70万人因烟尘污染提前死亡，2500万儿童患慢性咽炎，400万到700万农村妇女儿童受害。”
纳米TiO2作为一种极强的光催化剂,使得利用太阳光这种最清洁的能源来分解环境中的污染性物质成为了可能.因此,在涂料中加入纳米TiO2、ZnO、CaCO3、SiO2及碳黑等作为颜填料或助剂,除了可以显著提高涂膜的机械强度、防腐性能、耐光性和耐候性外,还可利用纳米半导体的强光催化活性降解空气中的污染物.研究表明,纳米TiO2对NOx、甲醛、甲苯等污染物的降解效果几乎可达到100%.其对大气中的NOx的净化机理如图1所示[4]
酸雨是大气污染的一种重大表现。世界目前已有三大酸雨区，给人类环境带来了多方面的不良影响，如土壤酸化与贫瘠化，作物减产，余下减少或灭绝等。而纳米材料和纳米技术的应用为解决这些气体的污染问题提供了新的方法。二）固体废物处理
现在，人类生活垃圾的排放量也大得惊人，而，纳米技术及纳米材料可以应用于城市固体垃圾处理。它的作用主要有两个方面：一是可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末，除去其中的异物，成为再生原料回收；二是利用纳米TiO2催化技术可以使城市垃圾J决速降解，其速度可达到大颗粒TiO2的10倍以上，从而缓解大量城市垃圾给城市环境带来的压力。
结语 随着纳米科技和纳米材料的研究深入，特别是纳米科技与环境保护和环境治理的进一步有机结合，许多环保难题将会得到解决。现在有很多纳米技术的成功研究都没有用到世纪中，我相信，在不久的将来，这些技术都会出现在我们的日常生活中，诸如大气污染、污水处理、城市垃圾等问题都将会得到解决。我们将充分享受纳米技术给人类带来的洁净环境。有理由相信，纳米科技作为一门新兴科学，必将对环境保护产生深远的影响，利用纳米科技解决环境污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”
被喻为21世纪前沿科学的纳米技术将成为人类解决环境污染难题的有效手段。纳米技术在环境污染控制中的应用,可以大大提高难去除杂质的去除率,使复杂的处理过程简单化,处理成本下降。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。
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第二篇：纳米粘土矿物材料在环境治理领域中的应用
纳米粘土矿物材料在环境治理领域中的应用
摘 要：粘土矿物具有许多优异性能,其中比表面积大、吸附能力强、阳离子交换能力强等特性使粘土矿物作为一种优良的环境材料而成为广大环保工作者所重视和研究的对象。文章对粘土矿物及纳米粘土矿物在污水处理、空气污染处理、土壤净化和固体废弃物处理及其他环境治理方面的应用进行了阐述, 并提出粘土矿物在环境治理研究方面的发展方向。关键词：粘土矿物；纳米粘土；环境治理；
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;
随着工业文明的迅猛发展，人类对环境的污染和破坏达到了足以威胁自身生存和发展的程度。由于环境污染物的消除需要消耗大量的能源，这给日益枯竭的能源提出严峻的挑战。寻找一种较为廉价的环境净化材料，降低污染物的处理成本，提高净化效率，已成为环境保护中亟待解决的问题。层状粘土矿物的储量丰富、价格低廉，因其独特的层状结构而具有良好的吸附性能和离子交换性能，在废水、废气及土壤净化等众多环境治理领域表现出广阔的应用前景。本文就粘土矿物材料在环境治理领域中的研究和应用情况进行综述。
1.粘土矿物材料与纳米粘土
粘土是一类广泛存在于土壤中的物质, 由于长期处于特定的环境条件下, 粘土矿物具有许多优越的特性，例如巨大的比表面积，良好的吸附性能，较高的吸附容量和离子交换能力，膨胀性、分散性、凝聚性、稠性、粘性、触变性和可塑性, 具有环境修复(如大气、水污染治理等)、环境净化(如杀菌、消毒、分离等)和环境替代(如替代环境负荷大的材料等)功能[2]。粘土中常见的矿物有：高岭石、蒙脱石、凹凸棒石、海泡石、伊利石、绿泥石等硅酸盐类化合物和由硅藻类微生物骨骸紧密堆积而成的硅藻土，以及层状双金属氢氧化物类化合物水滑石等矿物。
粘土矿物是颗粒细小(＜0.1mm)的含水层状结构硅酸盐矿物，其结构单元层是由Si-O四面体片Al-O八面体片按不同的规律连结起来而构成，按其连接方式的不同把粘土矿物划分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石等。粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si4+被Al3+置换，八面体中
[1]Al3+被Fe2+、Mg2+置换，从而使其单元层表面具有电性。此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，并且，粘土矿物具有吸附性、离子变换性、胶体性、分散性和催化性，这些特性在环境污染处理中具有十分重要意义[3]。
纳米材料按其结构可以分为四类：具有原子蔟和原子束结构的称为零维纳米材料、具有纤维结构的称为一维纳米材料、具有层状结构的称为二维纳米材料、晶粒尺寸至少三个方向在100nm范围内的称为三维纳米材料，以及以上各种形式的复合材料。层状硅酸盐粘土、金属氧化钒、二硫化钼等可以经过相应的工艺处理制成纳米复合材料，尤其是层状粘土与聚合物纳米杂化复合材料因性能优越、成本较低具有良好的产业化前景而受到广泛的关注[4]。与普通改性材料不同，纳米粒子具有特殊的表面效应、体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。将纯化后的粘土插层为纳米粘土后，在聚酯中分散成剥离型的纳米粘土。将粘土的层状特性改性成高比表面积的结构，从而提高了聚酯的力学性能、光学性能、阻隔性能等。目前用于纳米复合材料的粘土主要为膨胀型粘土，包括层间可交换阳离子粘土如膨润土、锂皂石、凹凸棒土、海泡石和可交换阴离子粘土如水滑石等[4]。矿物材料在环境治理领域的应用
自20世纪90年代初日本学者山本良一首先提出环境材料的概念之后，世界各国掀起了开发环境材料的热潮。到目为止，环境材料主要指：可循环利用材料、净化功能材料洁净能源材料、节能型材料。粘土矿物具有多孔、吸附离子交换等优异的物理化学性能，近几年，其在环境材料面的研究与应用越来越多，特别是在污水处理、大气吸附过滤脱色、生态建材(如具有保温、隔热、吸音、调光等能)、抗菌消毒剂、农业等方面的应用都有显著进展
[6-7][5]。
目前，粘土矿物在环境方面的应用主要是利用了粘土矿物的物理性质：较大表面积，吸附性能好。主要应用在空气污染处理、污水处理、土壤净化和固体废弃物处理及其他环境治理方面的应用等方面。
2.1污水处理中的应用
随着社会经济的发展，工业废水和生活污水越来越多，严重污染水体，破坏生态环境，威胁人类的健康和生存，为使废水(污水)达到排放标准，人们已研究出了多种处理方法
2.1.1含重金属离子废水处理
SenGupta和Bhattacharyya[8]分别利用聚羟基锆和四丁基衍生物对高岭石和蒙脱石进行改性，用于去除水中的Cd。发现溶液的pH对吸附量的影响较大，而蒙脱石去除效果最佳，蒙脱石的吸附容量为高岭土的3倍以上。沈学优等比较膨润土、高岭土和伊利石对重金属离子Cu、Zn、Cd、Ni。的处理效果。结果表明，膨润土〉高岭土〉伊利石。Alvarez-Ayuso和GarciaSanchez[10]利用钠交换的膨润土和钙交换的膨润土去除溶液中的Cr，吸附容量分别为49.8mg/g和44.4mg/g。吴平霄等
[11]
[9]
研究了高岭土/胡敏酸形成的有机一无机络合复合体对Cu、Cd和Cr的吸附。结果表明，胡敏酸对高岭土改性后能提高上述3种重金属离子的吸附性能，高岭土/胡敏酸复合体对3种重金属离子的吸附量都随pH值的升高而增加，随离子强度的增加而减小。选用Cu、Cd和Cr的初始浓度均为64mg/L，pH为5，离子介质为0.05mol/l时，高岭土/胡敏酸复合体的吸附量分别为Cu为64%，Cd为55%和Cr为80%。
2.1.2无机非金属废水
范丽珍等[12]选用钙基蒙脱石，经钠化改性后用作氟离子吸附剂，研究表明改性蒙脱石具有很强的吸附氟离子的能力，在pH为5和4时的除氟效果最好。孙承辕等[13]根据凹凸棒粘土的结构特点及较强的吸附能力，对含氟溶液进行了多次除氟实验，取得了明显效果，在F10×10的溶液中，其除氟率可达到50%以上，对除氟改水工作具有很大的应用价值。郑红等[14]研究了用AlCl3包覆后膨润土除氟的性能和适宜条件，在实验条件下，吸附率最高可达96.5%，酸性环境有利于吸附过程进行。马林转等[15]利用稀土元素La及Al聚合羟基离子改性膨润土(La/Al—PILC)，在温度为30℃，PH 3～5，磷质量浓度为6.54mg/L，吸附剂质量浓度为2.5g/L的条件下对磷的去除率能达99%以上。
2.1.3有机废水
AichaKheni等[16]研究发现十六烷基甲基溴化铵(CTAB)改性膨润土对水溶液中2，4一二氯苯酚和具有较好的吸附性能。Hasan Basri Senturk等[17]发现利用CTAB改性膨润土对水溶液中的苯酚也具有很好的吸附效果。武庭瑄等[18]研究了四环素在膨润土和高岭土中的吸附行为，结果表明：膨润土和高岭土对四环素的吸附行为均可用Freudli—ch等温方程描述，但Kf(膨润土)>>Kf高岭土，说明膨润土对四环素吸附能力较高岭土强。裘祖楠等
[19]-6-
5研究了以活化凹凸棒石作主要组分的吸附剂对阳离子染料生产废水的处理效果，脱色率和CODCr去除率可分别达到87.5%～99.8%和45.1%～72.3%，且再生处理简单，非常适用于该类废水的预处理。彭书传等[20]将凹凸棒石有机改性后，用于去除水中的苯酚，在PH为8.0，苯酚浓度为100mg/L，投加量为4%时，去除率可达到88.5%，且吸附剂经再生后可反复使用。
2.2矿物材料在治理空气污染中的应用
大气污染系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康，舒适感或环境。大气污染物按其存在状态可分为气溶胶污染物和气态污染物两大类。其中气态污染物在一定的条件下可转化为气溶胶态污染物，气态污染物包括了以二氧化硫为主的含硫化合物，以氧化氮和二氧化氮为的含氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及卤素化合物。2.2.1工业废气治理
工业废气是我国大气污染的主要来源，仅建筑材料的生产每年排出废气10.96亿立方米；废水排放量355亿吨；其中水泥、与传统墙体材料等每年排放的CO2量约为6.6亿吨，占全国工业排放CO2量的40%左右。据资料介绍，我国目前每生产一吨水泥熟料要排放1吨CO2、0.74公斤SO2、130公斤粉尘；每生产1吨石灰排放1.18吨CO2。
由于有害气体多为酸酐，大部分能溶于水，因而可用呈碱性的矿物与酸酐发生中和，从而吸收酸酐，达到清除废气的目的。石灰石（方解石）、生石灰、方镁石、水镁石、坡缕石等均属此类矿物材料，如日本用方镁石、水镁石吸收SO2、SO3废气：
MgO+SO2+H2O→MgSO3+H2O Mg(OH)2+SO2+H2O→MgSO3+2H2O Mg(OH)2+SO3+H2O→MgSO3+2H2O 对于不溶于水的酸酐，可先转化为溶于水的酸酐，再用上述方法处理，此外利用粘土矿物，沸石以及改型后的多孔状矿物作吸附剂也可排除有害气体，净化环境。如斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、高岭石、多孔SiO2、活性Al2O3、白云石、泥炭、硅藻土等。2.2.2城市空气治理
城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括NOx、金属排放物，如Pb等排放，随着现代大中城市之无铅汽油的使用，由汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催化油的使用与使得汽油的燃烧NOx排放量的显著减少。以青石为主体的三元催化剂载体得到了广泛的应用。青石为环状结构含铝硅酸盐。四面体中存在着[ALO4]对[SiO4]置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同像置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。日本近来利用高温热稳定性好，同时吸附能力强的海泡石制作高效汽车尾气净化器，由于汽车排放气体有害万分主要为NOx，以纳米质多孔石或锐钛石为主要成分的光触媒净化涂料得到广泛应用。2.2.3室内空气污染
短期的空气污染主要表现在甲醛、氨、苯等早期释放强浓度的危害。空气中甲醛（HCHO）超标对人体的危害是非常严重的，并且这种危害具有长期性、潜伏性、隐敝性，严重的会引鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。甲醛可经呼吸道吸入，其溶液“福乐马林”可经消化道吸收。当空气中含量达到30mg/m3时，可导致人当即死亡。氨是冬季混凝土施工外加剂的释放物。国家规定居住区的安全氨浓度为小于0.2 mg/m3。氨浓度过高时，除皮肤腐蚀作用外，还可通过三叉神经末梢的反射作用引起心脏停搏和呼吸停止。氨以气体形式吸入人体肺后，容易通过肺细胞进入血液与血红蛋白结合，破坏运氧功能。
以锐钛矿型纳米TiO2光触媒净化器已有效于应用于室内空气净化，其作用机理为在紫外光照射下，TiO2表面生成空穴（h+）同时生成电子（e-）空穴使H2O氧化，（e-）使空气中的O2还原。
H2O + h+→·OH+H+
O2+ e-→O2-OH基团的氧化能力很强，对有机物以及甲醛、萘、苯酚等进行氧化分解，最终生成CO2和水及NH3·OH。并对病菌及其分泌物毒素均有较强的杀灭和降解作用。以沸石、坡缕石、海泡石多孔结构为载体的载银无机抗菌剂也产生相似的作用和效果。张国生等[21]利用天然凹凸棒石粘土进行深加工研制出凹凸棒石复合分子筛，并用于净化室内空气改善大气环境，对NH3、SO2、NO2等都有较大的吸附容量。张春霞等
[22]
用改性海泡石研究了对NH3的吸附，结果表明，改性海泡石的吸附量大于未改性的，也远大于活性炭吸附量。此外，用膨润土、高岭石、凹凸棒石等合成的沸石分子筛对NO2、SO2等气体的吸附也作了许多研究。
2.3土壤净化 在土壤中粘土矿物的作用主要是粘土矿物对土壤的自净作用。土壤的主要污染物分有机物与无机物两大类。无机物包括重金属和放射性物质，有机物要是有机农药、有机洗涤剂及工业废水中的酚等。在一定的污染浓度范围内，土壤可以通稀释、扩散挥发，氧化还原反应及络合作用、离子交换和吸附作用而实现自净。土壤自净能力是土壤各种组分及结构综合作用的体现，粘土矿物在土壤自净过程中起了很重要的作用，因为粘土矿物是土壤胶体的主体，土壤胶体的自净作用在某种程度上是粘土矿物性质的体现。
当有毒物质进入土壤后，土壤胶体首先吸附带相反电荷的离子或络合物，如金属离子或化学农药，使污染物质的活性和扩散性大大减弱。其次粘土矿物层内表面不仅可吸附交换性离子，还可以把一些有毒的阳离子吸持在层间的晶格结构内而成为固定离子，消除了污染物的毒害。
2.4固体废弃物处理中的应用
随着工业的发展和城市人口的增长,环境保护已成为世界各国极为关注的主题。目前,在治理“三废”工程中，由于“三废”的成分复杂多样，许多传统工艺和传统材料已不适应，治污处理效果差。固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。
目前对于固体废弃物有三种处理方式：即再生利用、焚烧、填埋。
工业废渣多数为可利用的二次资源，如粉煤灰、冶金渣、煤矸石、尾矿等。这些固体废弃物，通过二次加工烧成可制成新型建筑材料如混凝土外加剂用超细矿粉、微晶玻璃等。而另一部分废弃物则须通过填埋式的处理，特别是含放射性元素的固体废弃物。
2.4.1生活垃圾填埋
目前技术条件下，我国生活垃圾的处理主要采用填埋法处理，垃圾填埋场的建造，最关键要求是防止垃圾物、腐植物、重金属离子以及有害有机物质渗入地下水中产生二次污水下渗，从而污染地下水水源，为了达到此点，除了采用无污染、无害的防渗透建筑材料外，还要求在其底部及四周铺垫强吸附层、离子交换性的粘土矿物和隔水性粘土层一层，后者材料主要为膨润土、土状海泡石和坡缕石。
2.4.2放射性固体废弃物的填埋
对于固体废弃物来说，其中最危险的是固体废弃物中含有的放射性元素。但对于固体废弃物中的放射性元素，必须加以屏蔽，而其中的重金属离子及有毒害的有机物分子也必须加以综合处理。对于含放射性元素的固体废弃物可以用矿物材料及改型的矿物材料来处理，如用兰石棉、玻璃纤维、人造有机纤维、坡缕石、海泡石纤维纸制品等一些高吸附性材料来吸附、过滤放射性气体和空气中具有放射性的尘埃；利用沸石、海泡石、坡缕石等矿物净化被放射性物质污染的水体。“矿物固化法”是放射性固体废弃物处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，可制成耐辐射的稳定玻璃体；沸石加热发泡、熔化、可固化核废料。坡缕石、海泡石也是辐射屏蔽的密封材料。
2.5 其他环境治理
改性粘土矿物治理赤潮
[23]的作用在于：它们具有大的比表面积，特殊的表面电性和酸性以及很强的吸附能力。因而除了对赤潮海藻具有很强的絮凝作用外，还可以吸附水体中过剩的营养物质，如N、P、NH4、Fe、Mn等，贫化海水，破坏赤潮生物赖以生存、繁殖的物质基础；粘土矿物的粒子也可附着于藻体的内外表面，当这些粒子沉积得很多的时候，藻体就难以生存而死亡。
粘土矿物也可以应用于荒漠化的治理中。沙漠化土地在我国30个省区市的851个县均有分布，总面积达270万km左右，占陆地国土面积的30%，且仍以每年24~60 km的速度在扩展。这些荒漠化土的颗粒较粗，一般呈细砂、粉砂状、无粘性、渗水性强，而粘土矿物的颗粒极细，有较强的膨胀性、粘性、吸水性，两者混合均拌匀，即可变成能保水的种植土。而且粘土矿物一般含有许多有利于动、植物生长的成分，可以为动、植物提供多种营养，从而达到采用粘土矿物治理沙漠的目的。
223 结束语
环境保护是2 1世纪人类所面临的共同课题，全球性研究、开发环境材料的热潮方兴未艾。人们已经意识到环境治理中最好的切入点是利用自然界本身的自净化能力。作为一种特殊的纳米材料,纳米粘土具有特殊的性能和很广阔的应用前景，随着科学技术的发展，基于粘土矿物的矿物学、晶体化学等特征研究的不断深入，其在环境材料开发方面的应用将非常广阔。
参考文献
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第三篇：纳米粘土矿物在环境治理领域的应用2
纳米粘土矿物在环境治理领域的应用
摘要：粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物。其结构使其有着催化性，离子交换性，分散性等特殊的性质而引起人们广泛的关注和研究的对象。本文重点介绍了粘土矿物及其特性，在治理空气污染、水污染、固体废物污染、噪声污染等方面的用途。并阐述了纳米粘土矿物未来的发展方向。
关键词：纳米材料，粘土矿物, 环境治理, 污染, 硅酸盐
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
随着工业的发展，环境污染日趋严重，甚至影响到人们的正常生活。环保问题正逐渐引起我们的重视。由于环境污染物的消除需要消耗大量的能源，这给日益枯竭的能源提出严峻的挑战。寻找一种较为廉价的环境净化材料，降低污染物的处理成本，提高净化效率，已成为环境保护中亟待解决的问题。纳米粘土矿物的储量丰富、价格低廉，因其独特的层状结构而具有良好的吸附性能和离子交换性能，在废水、废气及土壤修复等众多环境治理领域表现[1]出广阔的应用前景。
1.纳米材料
纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料可应用于工程、催化、精细化工、涂料等方面[2]。
根据物理形态可将纳米材料大致分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维（纳米管、纳米线）、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。
根据结构可划分为，零维纳米材料，即三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子、一维纳米材料（具有纤维结构）、二维纳米材料（具有层状结构）、三维纳米材料。
按化学组分可划分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。
按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。
按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。
2.粘土矿物简介
粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物，硅、铝、氧是其中最主要的元素。其结构单元层是由[SiO4]四面体与[AlO6]八面体彼此以3个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。铝氧八面体共用边角形成了八面体。这些硅氧四面体片和铝氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起。形成层状结构。按其连接方式的不同把粘土矿物分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，基本式为Si4Al4O10(OH)8，各单元层间距小，小分子或阳离子很少有机会进入层际空隙中，故层际通常不发生离子交换，而是在粘土的表面和边、角发生；后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石及云母类等，其基本式为Si3Al4O20(OH)4•nH2O，由于同晶置换，这两种类型的粘土矿的离子交换除在层面的边、角上发生，更多是由于层际间的阳离子交换而形成。粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si4+被Al3+置换，八面体重Al3+被Fe2+、Mg2+置换，从而使其单元层表面具有电性。此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子变换性、胶体性、分散性和催化性，这些特性在环境污染处理中具有十分重要意义。
粘土矿物的基本结构包括五个层次：
（1）Si-O构成的四面体或Al(Mg)-O(HO)构成的八面体；
（2）由第一个层次的四面体和八面体连接成四面和八面体结构片；（3）结构片按比例组成的结构单元层；
（4）结构单元层在c轴方向上按一定间隔垒砌构成不同的粘土矿物并形成层间域，层间域空间中有时是空的，有时填充水分子或同时被阳离子和水分子填充，不同粘土矿物的层间域厚度是不同的，如高岭石和绿泥石是固定的；蒙脱石的层间域厚度是可变的；
（5）一个结构单元层加一个相邻的层间域，构成粘土矿物的单位构造层，不同种类的粘土矿物，单元构造层的厚度不同。
3.粘土矿物的特性[3]
3.1分散性和胶体性
粘土颗粒因层间类质同象置换表面具有永久电负性，而其端面断键也会使粘土颗粒具有可变电性。粘土颗粒在水体系中的稳定性主要取决于这些电性所引起的双电层结构特征，而双电层结构会因电解质或pH值作用发生的变化。因此，粘土颗粒在水体系中的分散和絮凝可以通过添加电解质或调解pH值来加以控制。利用粘土矿物的这些性质，可以表面吸附、混凝、沉淀污水中的污染物，达到治理污染的目的。
3.2 催化性
粘土矿物因具有很大的表面积，适宜的孔径及表面酸性，从而表现出良好的催化性。粘土矿物经酸化处理后，能够大大改善其催化活性。因为，经酸化后，不仅可以引起粘土矿物组分和结构的变化，而且能够提高其比表面积、改善其孔径分布、增强其表面吸附性。3.3 离子交换性
粘土矿物层间具有永久电负性，为保持结构单元层电价平衡，在其结构层间会吸附一定量的阳离子，而这些层间阳离子具有可交换的特性。阳离子交换反应式可表示为：
M+-Clay + A+ ⇌ A+-Clay + M+
粘土矿物层间阳离子交换性质主要取决于离子电价、离子半径大小极离子浓度等。一般而言，离子势与离子选择性成正比，离子浓度与离子选择性也成正比关系。粘土矿物大都具有阳离子交换性，但交换容量有一定差异。蒙脱石、蛭石阳离子交换容量为80~150meq/100g，伊利石和海泡石为10~40meq/100g，高岭石为3~15 meq/100g。粘土矿物的阴离子交换性为20~30 meq/100g。这一作用主要发生在结构单元层的端面，特别是pH较低的情况下，端面因带一定正电荷而吸附许多无机或有机阴离子，如PO42-、AsO32-、SeO42-、S2-、CN-、CH3COO-等。
3.4 与有机物的复合性
粘土矿物具有与有机物符合的特殊性质，其复合的吸附力来自于离子交换作用、范德华力、氢键力以及离子偶极力作用。粘土矿物复合的有机物大致可划分为三种类型：中性分子有机物，例如NH3、SO2、醇、酮、胺、尿素等；有机阳离子，例如烷基、羟烷基、烷酰基等；高分子聚合物，例如酶、蛋白质、病毒、腐殖质等，其吸附力有离子交换、范德华力和氢键力。粘土矿物除可以直接复合有机物外，还可以通过人工有机复合制备吸附交换性更好的有机粘土，例如有机膨润土。
4.纳米粘土矿物在环境治理中的应用
粘土矿物具有环境修复（如大气、水污染治理等）、环境净化（如杀菌、消毒、分离等）和环境替代（如替代环境负荷大的材料）等功能[4]。在环境领域中的应用包括：污水处理方面、土壤净化、大气净化、核废料处理、清除放射性气体、阻止有机和无机有害物质迁移等[5]。
目前粘土主要作为粘结剂、吸水剂、吸附剂、催化剂、絮凝剂等广泛应用于冶金、机械、石油、化工、和环保的各个领域。为了提高其附加值, 使用前往往要对天然粘土进行改性。改性方法、机理、工艺及条件已成为人们关注的焦点[6]。
4.1空气污染[7]
4.1.1 室内空气污染
室内空气污染主要来自装饰材料中的人工合成高分子材料。物质主要包括甲醛(HCHO)、氨、苯、氡等，对人体危害严重，并会引发鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。对于上述几种有害物质, 以沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、累托石等粘土矿物为载体的载银无机抗菌剂可以起到良好的作用效果。目前开发的以多孔结构粘土矿物为载体的无机抗菌剂已成功应用于室内空气净化, 并对病菌及其分泌物毒素均有较强的杀灭和降解作用。
由于坡缕石、海泡石、沸石、膨润土、累托石等为典型的天然纳米粘土矿物材料, 基于其特有的孔道结构、晶体表面生长缺陷的发育和纳米级尺寸效应,经充分分散处理后具有大比表面积和超强吸附性。如以纤维状坡缕石、海泡石、沸石制作的环保型特种多功能纸不仅具有难燃、阻燃效果, 而且能有效地吸附室内空气中的氮氧化物(NOx)和有害极性气体, 应用于空气净化的超细滤膜纸, 由于海泡石、坡缕石的强防辐射屏蔽性, 其开发的壁纸材料可有效防止建筑墙体氡气的析出。
4.1.2城市空气污染
城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括NOx、金属排放物排放。无铅汽油的使用使得汽汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催化油的使用使得汽油燃烧的NOx排放量显著减少。
青石可以用来吸收汽车尾气，其结构为环状结构含铝硅酸盐，其四面体结构存在着[AlO4]对[SiO4]的置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同象置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。国外用粘土矿物制成汽车排气管、过滤器, 主要是充分利用粘土矿物的吸附性。用粘土矿物代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。4.1.3 工业废气治理
工业废气是我国大气污染的主要来源，主要包括：CO2、SO2、粉尘等。由于有害气体多为酸酐, 大部分能溶于水, 因而可用呈碱性的粘土矿物与酸酐发生中和, 从而吸收酸酐, 达到清除废气的目的。对于不溶于水的酸酐,可先转化为溶于水的酸酐, 再用上述方法处理, 此外利用粘土矿物, 如沸石、海泡石、膨润土、坡缕石、高岭土、累托石以及其改型后的多孔状矿物作吸附剂也可排除有害气体, 净化环境。
4.1.4 大气净化
蒙脱石、海泡石、坡缕石及高岭石等因比表面积大、吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于空气污染的净化。这些矿物经简单的处理之后，即可用于臭气、毒气及有害气体如NOx、SOx、H2S等的吸附过滤。现已成功地用其迅速、有效的去除与腐烂变质物臭气有关的1，4-丁二胺和1，5-戊二胺以及包含排泄物臭气中的吲哚、丁烷一类气体。实验证明，在含氨为100×106/m3气体中放置40个海泡石，可使氨的浓度降至18×106/m3。4.2水污染
粘土矿物主要用于生活和化工用水过滤、重金属离子从Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等的去除，印染废水（阳离子染色分子）和有机污染物的吸附以及阴离子PO43-、SO42-的去除。
目前, 用于污水处理的主要是膨润土、凹凸棒石、坡缕石、海泡石、硅藻土等几种[8]。膨润土对废水中有极性结构的非离子型表面活性剂有较强的吸附能力，每克膨润土可吸附200-300mgCODcr。对于无极性的非离子表面活性剂，用2%的投加量可使CODcr浓度为1000mg/L左右的废水达到排放标准。将无机钠盐与膨润土按照一定比例制成的HB絮凝剂加入到味精废水中，能吸附废水中的有机污染物，使废水中的COD大大降低。用明矾和膨润土作为吸附—徐宁剂处理再生纸废水中的COD和悬浮物，也可使排放出的废水由碱性变为中性[9]。将膨润土与CaCl2无机盐制成混合物，按5g/L的量加入印染废水中，可以除去九成的燃料和八至九成的表面活性剂。
蒙脱石可以用来吸附Pb2+、Cd2+及Cr(III)，即用蒙脱石—聚合氯化铝交联处理废水中的重金属，可进一步改善去除效果并提高固—液分离速度，是低浓度废水中Pb2+等的去除率达到93.1%。经研究发现：经酸化的蒙脱石出去废水中的重金属离子效果更佳。
凹凸棒石可以净化处理印染废水，投加量为10-12g/L，pH=6-10，反应时间为10min，COD去除率达74%，色度去除率大93%，净化效果与常用的聚合氯化铝、硫酸铝、硫酸亚铁等相比均有明显的提高。经活化的凹凸棒石粘土可以处理铀。采用动态法(交换柱)处理含铀废水，效果良好，铀的去除率在99.95%以上。膨润土等粘土矿物经过适当的有机改性，可用来处理含有机物废水。膨润土、硅石、凹凸棒石、海泡石等粘土矿物可直接利用或经过适当的活化改性处理，也可用来处理含重金属离子废水，获得了较好的效果。经预处理的海泡石、凹凸棒石等以吸附与离子交换法可以降氟除磷，同时有利于降低废水处理成本，减少污泥产生量，重复利用资源。
4.3固体废物污染
固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。工业废弃物可通过二次加工烧成可制成新型建筑材料，如混凝土外加剂用超细矿粉、微晶玻璃等。城市生活固体废弃物主要是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，即城市生活垃圾，主要包括居民生活垃圾、医院垃圾、商业垃圾、建筑垃圾。矿业废物指开采和选洗矿石过程中产生的废石和尾矿。
对于固体废弃物中含有的放射性元素。可利用沸石、膨润土、累托石、坡缕石、海泡石等一些高吸附性材料来吸附、过滤放射性气体和空气中具有放射性的尘埃。粘土矿物也可作为一种固化剂，“矿物固相法”是放射性固体废弃物处理的十分重要和行之有效的方法，例如沸石加热发泡、融化、可固化核废料。坡缕石、海泡石也是屏蔽辐射的常规密封材料。4.4 噪声污染
随着对噪声危害认识的提高，噪声已与“三废”并列为环境“四害”之一。硅藻土、浮石、蛭石、珍珠岩等具有良好的消声隔音性能，尤其是膨胀蛭石吸引系数可达0.53-0.73，隔音能力为40-50dB，经常用作汽车减音器和隔音泥灰。
4.5 粘土矿物在其他方面的应用
粘土矿物可治理土地荒漠化：荒漠化的颗粒较粗，一般呈细砂、粉砂状，无粘性，深水性强，而粘土矿物的颗粒极细，有较强的膨胀性、粘性吸水性，两者混合均拌匀, 即可变成能保水的种植土。而且粘土矿物一般含有许多有利于动、植物生长的成分, 可以为动、植物提供多种营养,从而达到采用粘土矿物治理沙漠的目的[10]。
粘土矿物因其导热系数低，分散性高，以及特有的微孔结构等，适用于研制开发保温涂料等多种保温材料。保温材料的开发具有重要的“绿色意义”。20世纪80年代以来海泡石复合硅酸盐保温材料发展迅速。利用纤维状海泡石和粘土状海泡石为主要原料，研制的新型保温隔热涂料常温下导热系数为0.079W/(m·K)。以坡缕石为主要原料的SM复合硅酸盐保温涂料，常温下导热系数小于0.05W/(m·K)。
伊利石具有较好的化学惰性、电绝缘性、绝热性及随温度升高体积膨胀的特性，可作为一种新型的传压介质材料。其特性在某些方面由于叶腊石，其钛、铁杂质可成为合成金刚石的有益添加剂，同时所需和成功率下降，利于节能[9]。
过滤清除放射性气体及尘埃；坡缕石、海泡石、蒙脱石等用作阳离子交换剂净化被放射性污染的水体；也可用作危险废物的镇定剂，对放射性物质永久性吸附固化；以及机房中软X射线的吸收等方面。蒙脱石、海泡石、坡缕石等现已广泛用于油污废塑料、城市垃圾等处理，阻止无机或邮寄有害物迁移[9]。
粘土矿物对地质作用和地质环境的变化反应敏感，还可用于岩相古地理、古气候、古环境、地层对比和成岩成矿条件的研究和回复。另外，深海中的粘土矿物和深海软泥存在于非常独特的环境，有着独特的潜在应用价值。从环境角度考虑，深海中的粘土和碳酸盐的利用有可能要早于其他矿产资源。
由于粘土矿物有着独特的物理化学性能，作为较理想的载体材料已广泛受到人们的关注，发展相当迅速，特别是膨润土、凹凸棒石、海泡石、蛭石等。目前采用离子交换法已经成功地制备了载银膨润土、载银凹凸棒石、载银海泡石和铜型蛭石等无机抗菌剂，其抗菌效果良好，可制成抗菌制品。
还有一些粘土矿物有抗紫外线能力，比如伊利石，可作为化妆品。伊利石无毒无臭，质软滑腻，且呈丝绢光泽，分散性好，附着力强，其pH值一般为6~7，化学性能稳定，矿物组分简单，不含对人体有害的成分[9]。
5.纳米粘土矿物的未来及研究发展方向
由于粘土矿物的资源丰富，价格便宜并且有着优越的物理和化学性能，被越来越多的应用于环境保护中。除少数粘土矿物，如石棉外，大多说天然产出的矿物材料基于其不同的性能在不同领域起着环境保护和环境治理的作用，它们皆可认为是环境矿物材料。随着科学技术的进步，人们对环境条件要求的提高，粘土矿物材料的应用将越来越广，其作用也越来越重要，如在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都起着不可缺少、甚至不可替代的作用。
未来粘土矿物的研究方向：研究粘土矿物材料的成分、结构和性能之间的相互关系；研究粘土矿物材料在外界作用力下的成分、结构和物化性能变化及变化规律；研究粘土矿物材料的深加工、处理方法，包括提纯和改性；研究粘土矿物材料的自然形成条件及人工合成方法和技术参数；研究设计和制备新的矿物材料和功能复合材料；研究粘土矿物材料的应用技术和应用方法[7]。
参考文献：
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第四篇：纳米材料的应用
纳米材料的应用
纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。
近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；
近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。根据国际纳米材料研究的发展趋势，我国建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。
第五篇：纳米材料航天应用
纳米材料定义：
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米材料特性
特性 :（1）表面与界面效应
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
（2）小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
（3）量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。
（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。纳米材料发展：
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求?他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了ibm三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。
著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想;
70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工;
1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用;
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生;
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等;
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“ibm”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地;
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机;
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量;此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录;
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元;
近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。
2003年，纳米技术在基础研究和应用研究方面都取得了突破性进展。如：美国利用超高密度晶格和电路制作新方法，获得高密度的铂纳米线；日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。纳米材料缺点
生产出来的成本高，应用不广泛，同时生产出来的纳米产品的毒理学没有广泛的深入，在某种意义上讲一些东西处于探索阶段
前言纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质。可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料．开辟出新的材料生产途径．以满足传统材料所不能达到的要求．尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。应用纳米材料可减小航天器电子元器件的体积和质量．并提高其可靠性。纳米材料的发展方向主要有功能纳米材料及结构纳米材料纳米材料在航天器结构材料上的应用 1．金属及金属基复合材料晶粒细化是提高金属材料强度最有效的方法之一。利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是把纳米陶瓷粉体均匀分散于合金中．以提高合金的成核速率．同时抑制晶粒长大．从而起到晶粒细化的作用。抑制材料使用过程中微裂纹的扩展．提高产品的强度。例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中。可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。
(1)纳米氮化钛应用于合金钢、铁纳米氮化钛具有硬度和热稳定性高、粒度小，以及分散性好的特点。在钢水冷却结晶过程中．纳米氮化钛成为晶核相．可大大增加成核数量，减小晶粒尺寸．达到细化合金晶粒的效果．使合金的综合性能大大改善。
(2)纳米碳化硅应用于银基复合材料通过向基体中加入均匀、细J．J＼，具有良好稳定性的颗粒．达到弥散强化合金的目的．是制备高强高导合金材料的重要途径之一。纳米碳化硅对于银合金来说是一种有效的增强相．当纳米碳化硅的质量百分含量为l％时．强化效果佳．材料的抗拉强度可达39IMPa．相对电导率为60．2％，强度和耐磨性均有所提高。(3)纳米碳化硅弥散强化铜基复合材料高强高导铜基复合材料在集成电路的引线框架 各类点焊、滚焊机的电极、触头材料，电枢、电动工具的换相器等电子设备中具有广泛的用途。但铜合金的高强度和高导电性一直是一对互相矛盾的特性．一般只能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以获得高强度。采用纳米碳化硅稳定弥散强化铜基材料是解决 这一矛盾的较好方法 通过向基体中加入均匀、细小，具有良好稳定性的纳米碳化硅颗粒以达到弥散强化铜合金的目的．已成为制备高强高导铜基复合材料的研究热点。
(4)纳米碳化锆应用于硬质合金纳米碳化锆是一种重要的高熔点、高强度和耐腐蚀的高温结构材料 纳米碳化锆用于硬质合金材料中．可提高材料的强度和耐腐蚀性等性能。
2．聚合物基复合材料纳米粒子加入聚合物基体后．可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能
(1)纳米氮化铝应用于环氧树脂在纳米氮化铝一环氧树脂体系中．纳米氮化铝的用量为1％～5％时．玻璃化转变温度提高．弹性模量达到极大值。将纳米氮化铝添)30~0环氧树脂中制得的复合材料．在结构上完全不同于添加粗晶的氮化铝一环氧树脂基复合材料：粗晶氮化铝一般作为补强剂加入．其主要分布在高分子材料的链间．而纳米氮化铝由于表面严重的配不足、庞大的比表面积使其表现出极强的活性．同时。尚有一部分纳米氮化铝颗粒分布在高分子链的空隙中。与粗晶氮化铝相比．纳米氮化铝具有很高的流动性．可使环氧树脂的强度、韧性及延展性均大幅提高。
(2)纳米碳化硅在橡胶轮胎中的应用在橡胶轮胎中添加一定量的纳米碳化硅．在不改变原橡胶配方的条件下进行改性处理．可在不降低其原有性能和质量的前提下．将耐磨性提高 15％～30％。另外。纳米碳化硅还可应用于橡胶胶辊、打印机定影膜等需耐磨、散热、耐温的橡胶产品中。
3．-r-程塑料及其它复合材料纳米材料与工程塑料复合既能提高工程塑料的固有性能．又可赋予其高导电性、高阻隔性及优良的光学性能等。因此。把纳米材料应用于工程
塑料的改性．可进一步拓宽工程塑料的应用范围。
(1)工程塑料，{I内米粒子复合材料采用纳米粒子对有一定脆性的工程塑料增韧是改善工程塑料韧性和强度等力学性能的一种行之有效的方法。只要纳米粒子与基体树脂结合良好． 2010 6军民两用技术与产品纳米粒子也可承受拉伸应力．增韧、增强作用明显少量纳米氮化钛粉体用于改性热塑性工程塑料时．可起到结晶成核剂的作用。将纳米氮化钛分散于乙二醇中．通过聚合使纳米氮化钛更好地分散于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中．可加快PET工程塑料的结晶速率．使其成型简单．扩大其应用范围。而大量纳米氮化钛颗粒弥散 于PET中．可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。
(2)工程塑料／纳米磁性金属及其氮化物复合材料这种复合材料具有特殊的光电功
能(对电磁波有特殊的吸收作用)和优良的磁性能及导电性．可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域 用偶联剂进行表面处理后的纳米碳化硅．在添加量为10％左右时． 可大大改善和提高PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特种塑料的性能．全面提高材料的耐磨、导热、绝缘、抗拉伸、耐冲击、耐高温等性能。
4．陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体．与各种纳米材料复合制得的材料。陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、强度和硬度高、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能．而其致命的弱点是具有较强的脆性。在应力作用下．会产生裂纹。甚至断裂导致材料失效 而将纳米材料与陶瓷基体复合．是提高陶瓷韧性和可靠性的一种有效方法．可得到韧性优良的纳米增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。例如，纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀．以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中 纳米材料在航天器功能
1．雷达及红夕 隐身材料纳米材料具有的小尺寸和量子尺寸效应等特性．使金属、金属氧化物和某些非金属材料在细化过程中．处于表面的原子越来越多．悬挂键增多、界面极化增强．为吸波材料应用提供了可能性。多重散射及量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级能隙变宽．能隙宽度处于微波范围(10％V 10-SeV)内。因而可能成为新的吸波通道。纳米陶瓷粉体是陶瓷类红外吸收剂的一种新类型．主要包括纳米碳化硅粉、纳米氮化硅粉等。纳米陶瓷类红外吸收剂具有吸收波段宽及吸收强度大等特性。纳米碳化硅和磁性纳米吸收剂(如磁性纳米金属粉等)复合后。吸波效果还能大幅度提高。纳米氮化物吸收剂主要有氮化硅和氮化铁．纳米氮化硅在IOOH一1MHz范围内有比较大的介电损耗．纳米氮化硅的这种强介电损耗是由于界面极化引起的纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度和饱和磁流密度．有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。
2．导电、导热等功能材料纳米氮化钛具有优良的导电性能．在A1，O 基体中加入纳米氮化钛颗粒可有效降低其电阻率。随着纳米氮化钛加入量的增加．复合材料的电阻率逐渐降低．当加入的纳米氮化钛体积含量达~U20％以后．复合材料的电阻率趋于稳定。为5．5x10-3~．cm。添加超高导热纳米氮化铝的硅胶具有良好的导热性和电绝缘性、较宽的电绝缘使用温度 工作温度一6oX3200~2)、较低的稠度和良好的施工性能．可广泛应用于子器件的热传递介质中．能够提高工作效率．如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控 硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质等纳米氮化铝粉体可大幅提高塑料的导热率。将纳米氮化铝粉体以5％～10％的质量比例添加到塑料中．可使塑料的导热率从0．3w／(ni．k)提高到5W／(m．k)，导热率提高了l6倍多。与目前市场上的导热填料(氧化铝或氧化镁等)相比，其添加量低。对制品的机械性能有提高作用。目前，相关厂家已大规模采购纳米氮化铝粉体．新型纳米导热塑料将投放市场纳米氮化铝粉体与二氧化硅的匹
配性能好．在橡胶中容易分散．在不影响橡胶的机械性能的前提下(实验证明．对橡胶的机械性能还有提高作用)可大幅提升硅橡胶的导热率．在添加过程中不像氧化物等会使黏度下降慢．添加量很小，现已厂泛应用于军事、航空。以及信息工程领域。
3．涂层材料
纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化性。研究表明，用纳米碳化硅、碳化锆、碳化钛、氮化钛、碳化硼等粉体作为金属表面的复合涂层．可获得超强耐磨性和润滑性．其耐磨性比轴承钢高100倍．摩擦系数为0．06～0．1．同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性。在液体火箭发动机关键零部件中应用纳米技术．可大大延长这些零部件的使用寿命 4．特种密封材料发动机出现故障最多的是各种密封面的失效．密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素．和用纳米材料改性密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末极大地改善其密 性能。目前。密封橡胶所用的增强剂多为纳米级炭黑．若改用纳米氮化硅使其拉伸强度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。5．固体火箭推进剂 将纳米金属粉添加到固体火箭推进剂中．可显著改善固体推进剂的燃烧性能。例如，在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉．推进剂燃烧效率可得到较大提高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推进剂的燃速高5 20倍.
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