趣味环境科学故事:纳米环保技术大推广——纳米材料的使用

纳米如同厘米、分米和米一样,是度量长度的单位,一纳米等于十亿分之米,将一纳米的物体放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般。被称为21世纪前沿科学的纳米技术,是指在0.1-100纳米尺度范围内,研究电子、原子与分子内在规律与特征,并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。当物质被“粉碎”到纳米级大小并制成的“纳米材料”时,不仅光、电、热、磁性发生了变化,而且具有辐射、吸收、催化、吸附等许多新特性,可彻底改变目前的产业结构。不难设想,纳米技术在未来的绿色革命中将大显身手,给我们环境保护带来突破性变化。那就由童乐福科学网给同学们带来这个趣味环境科学故事:纳米环保技术大推广。

趣味环境科学故事:纳米环保技术大推广——纳米材料的使用

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趣味环境科学故事:纳米环保技术大推广——纳米材料的使用

纳米材料的基本构成决定了它有超强的吸附能力,因而在污水处理方面有着广阔的前景。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的解决,纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。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的10-20倍,因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,先使水中不含悬浮物,然后采用纳米磁性物质,纤维和活性炭的净化装置,能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后,水体清澈,没有异味,口感也较好,再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后,可以将水中的细菌、病毒100%去除,得到高质量的纯净水,完全可以直接饮用。

纳米技术还可以制成非常好的催化剂,其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01%。因而,在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂,以帮助煤充分燃烧,提高能源的利用率,防止有害气体的产生。将纳米技术用于汽车尾气催化,是其他任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的,它在发动机汽缸里发挥催化作用,使汽油燃烧时不再产生一氧化硫与氮氧化物,根本无须进行尾气净化处理飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达到上百分贝,容易对人造成危害。但机器设备等被纳米技术微型化以后,其互相撞击、摩擦产生的交变机械作用力将大为减少,噪声污染便可得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂,既能在物体表面形成永久性的固态膜,产生极好的润滑作用,得以大大降低机器设备运转时的噪声,又能延长它的使用寿命近年来,有关工频电磁场对人体健康的影响问题已众所周知,可现在我们再也不用为防电磁辐射而担忧。若在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时,可以在墙壁上加入纳米材料层,或者涂上纳米涂料,能大大提高遮挡电磁波辐射性能。我们知道,紫外线对人体的危害极大,但有的纳米微粒可以吸收紫外线对人体有害的部分,从而使纳米粒子在防紫外线方面也有较大的应用前景。

研究人员发现碳纳米管可以用于探测有毒的二氧化氮和氨气。氮氧化物和氨气可导致酸雨和温室效应,因此其在大气中的含量必须适时测。与现有检测仪器不同的是,利用纳米技术研制的探测器是由两端连接着金属导线的纳米碳管组成的。该探测器可以在室温下用于监测氮氧化物和氨气浓度,造价低廉,并且体积微小,只有3微米长,仿佛是用微芯片进行化学分析的“芯片实验室”。

在广泛使用的农药品种是有机磷农药,这些农药对农业虫害和病菌有一定的毒杀作用,但由于自然界没有相应降解它的生物群,且其在生产过程中的原料中间体和“三废”给人畜及环境带来极大危害。20世纪80年代,一些发达国家开始把农药纳米乳剂作为一种新剂型进行工业化批量生产,且发展迅速。我国现已研制出纳米级超微粒制备设备,可以低成本地生产这种农药纳米乳剂。用这种乳剂可以生产绿色和无公害农药,这对于减轻生产者及使用者的毒害、减少环境污染具有重大意义。

尽管纳米技术的研究已经取得了很大进展,但仍有许多问题有待进一步探索和解决。如纳米材料的微观结构和纳米材料制备过程中的结构控制及性能稳定等方面,有许多工作要做,这些都是纳米技术实现工业化应用的基础。但可以相信,纳米技术作为一门新兴科学,必将对环境保护和环保产业产生深远影响,利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。

学科展望:

国际上目前把新材料的研究作为纳米科技发展的重点。美国预计在21世纪30年代,汽车40%的钢铁和金属材料要被轻质高强度材料所代替,这就是有机高聚物和纳米材料的复合材料。这样可以节省汽油40%,减少二氧化碳排放量40%。

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