無機(jī)納米材料在電力環(huán)保中的應(yīng)用

李逢波 淮北力源熱電有限責(zé)任公司 235136

無機(jī)納米材料在電力環(huán)保中的應(yīng)用

李逢波 淮北力源熱電有限責(zé)任公司 235136

納米材料作為光催化劑可降解水中多種有機(jī)物，納米濾膜以及納米吸附在水處理中也有一定的應(yīng)用。納米材料的應(yīng)用還存在于光催化轉(zhuǎn)化SO2、NOx技術(shù)中。其中，納米二氧化鈦光催化劑有著性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。

納米材料；光催化轉(zhuǎn)化；二氧化鈦；納米濾膜；納米過濾

1.前言

納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。這里所說的基本單元包括零維的納米粒子、一維的納米線及二維的納米薄膜由這些納米尺度的基本單元構(gòu)成納米材料有多種方式，由此可以形成多種類型的納米材料：納米粉體材料是由納米粒子構(gòu)成的松散集合體；納米粉體經(jīng)過一定的壓制工藝制成的具有高致密度的材料則為納米塊體材料，如納米陶瓷、納米金屬與合金等；將納米粒子制成薄膜或?qū)⒓{米粒子分散到其他的薄膜中，進(jìn)而形成的多層膜則為納米薄膜材料；將納米粒子分散到高分子、常規(guī)陶瓷或金屬中，則又得到納米復(fù)合材料。

納米材料具有小尺寸效應(yīng)(又稱體積效應(yīng))、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)的獨(dú)特性質(zhì)，使得納米材料具有輻射、吸收、催化、吸附等奇特的性能，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[1]。

2.納米材料在水處理中的應(yīng)用

2.1 納米材料光催化降解水中污染物

納米TiO2光催化降解有機(jī)物水處理技術(shù)具有無污染，除凈度高等優(yōu)勢。此納米材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：①具有巨大的比表面積，可與廢水中有機(jī)物更充分的接觸，將有機(jī)物最大限度地吸附在它的表面；②具有更強(qiáng)的紫外光吸收能力，有更強(qiáng)的光催化降解能力，可快速將吸附在其表面的有機(jī)物分解掉。

納米粒子可以對(duì)污水中的非金屬離子進(jìn)行氧化或還原而消除污染。Frank等人以TiO2為光催化劑處理含氰廢水的研究發(fā)現(xiàn)，CN-首先被光催化氧化為OCN-，再進(jìn)一步反應(yīng)生成CO2、N2和NO。Frank還研究了TiO2在多晶電極／氙燈作用下對(duì)I-、Br-、Cl-、Fe2+、Ce3+等的光解，并發(fā)現(xiàn)TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3等對(duì)CN-和SO也可以進(jìn)行光解，且能有效地將SO氧化為SO，從而降低污染度。

Cr6+離子具有極強(qiáng)的致癌性，毒性要比Cr3＋離子高出一百多倍。它是一種常見的工業(yè)污染物，地表水中Cr6+離子的最高允許含量為O.1mg·L－1。納米二氧化鈦光催化降解C r6+屬于光還原反應(yīng),利用光催化反應(yīng)技術(shù)將C r6+還原為C r3+,進(jìn)而將C r3+轉(zhuǎn)化為Cr(OH)3沉淀從溶液中分離出來。

利用納米材料進(jìn)行光催化反應(yīng)還可以降解一些無機(jī)污染物質(zhì)，如氯化物等，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水中各種污染物的綜合治理[2]～[3]。

2.2 鈉濾在水處理中的應(yīng)用

納濾是一種壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程，是介于反滲透與超濾之間的一種膜分離技術(shù)，由于其操作壓力較低，對(duì)一、二價(jià)離子有不同選擇性，對(duì)小分子有機(jī)物有較高的截留性，且具有設(shè)備投資低、耗能低的優(yōu)點(diǎn)，所以是國內(nèi)外膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

納濾膜(Nanofiltration Membranes)的孔徑范圍大約在1～5個(gè)納米左右，膜的截留分子量約為200～2000。納濾膜大多是復(fù)合膜，其表面分離層由聚電解質(zhì)構(gòu)成，能截留高價(jià)鹽而透過單價(jià)鹽，能截留分子量100以上的有機(jī)物而使小分子有機(jī)物透過膜，能分離同類氨基酸和蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高相對(duì)分子量和低相對(duì)分子量有機(jī)物的分離，因而被廣泛應(yīng)用于食品、制藥中的分離、濃縮、精制、工業(yè)廢水處理、飲用水制備、物料回收等化工、生化、環(huán)保、冶金領(lǐng)域。例如，熱電廠的二次廢水中含有大量懸浮固體、灰份、高含量的鹽份及部分有機(jī)物，利用納濾膜技術(shù)可方便地把此類廢水處理成工業(yè)回用水[4]。

2.3 納米吸附材料在水處理中的應(yīng)用

納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)決定了材料超高的表面能力，以及超強(qiáng)的吸附能力。我們知道，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、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)，它從污水中流失，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如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶[5]。

3. 納米材料在大氣污染治理中的應(yīng)用

3.1 納米級(jí)助燃劑的應(yīng)用

煤燃燒時(shí)也會(huì)產(chǎn)生SO2，如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級(jí)助燃催化劑，可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生CO，使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物，不產(chǎn)生SO2,能源利用率也提高了。傳統(tǒng)的煙脫硫技術(shù)脫硫劑難以再生,不僅運(yùn)行成本高,而且越來越多的脫硫劑廢棄物既浪費(fèi)了土地資源又對(duì)環(huán)境造成了二次污染。李大驥等提出用低溫?zé)Y(jié)的納米級(jí)TiO2作為煙氣脫硫劑,其中(101)晶面衍射最強(qiáng)的銳鈦礦型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羥基和被吸附SO2之間的反應(yīng)生成H2SO3和H2SO4，在燒結(jié)溫度為540℃時(shí)的吸附能力為27.1mgSO2/gTiO2，再生后吸附容量仍可以達(dá)到19.5mgSO2/gTiO2，這說明該納米脫硫劑具有良好的再生能力。

3.2 光催化轉(zhuǎn)化在大氣處理中的應(yīng)用

為了滿足實(shí)際的光催化反應(yīng)要求，經(jīng)常將催化劑附著在載體上，構(gòu)成復(fù)合催化劑或制成光催化膜以克服懸浮顆粒催化劑難于回收，不利于工業(yè)應(yīng)用的缺點(diǎn)。催化劑對(duì)載體的要求是具有支撐催化劑，對(duì)光催化反應(yīng)惰性，比表面積大，對(duì)被處理污染物有很強(qiáng)的吸附作用，易于分離等。對(duì)氣相污染物的脫除使用多孔介質(zhì)的載體可以增大反應(yīng)場所。如將TiO2附著在陶瓷，玻璃纖維，硅膠，分子篩，藥用炭等載體上可增大其比表面積，改善TiO2的活性，提高對(duì)污染物的降解率。就光催化轉(zhuǎn)化NOx來說，在紫外光照射下，TiO2光催化劑可以很容易將NO轉(zhuǎn)化為NO2和HNO3，但是很難轉(zhuǎn)換NO2。若將催化劑附著在載體上可以增大催化劑的比表面積增強(qiáng)對(duì)NOx的吸附，提高對(duì)NO的轉(zhuǎn)化率。

由于TiO2對(duì)去除NOx有良好的性能，因此將改性的TiO2催化劑用于脫氮中具有廣闊的發(fā)展前景。

有實(shí)驗(yàn)表明，摻Fe3+與不摻Fe3+的納米TiO2對(duì)氮氧化物光催化降解效率不同，摻Fe3+后納米TiO2的光催化效率有明顯提高。

摻適量的Fe3+,可以較好地阻止粒子的團(tuán)聚,改善納米TiO2粉的分散狀態(tài),這也是摻Fe3+納米TiO2光催化效率得到提高的一個(gè)原因。由于Fe3+/Fe2+的能級(jí)靠近TiO2的導(dǎo)帶能級(jí),Fe3+/Fe4+的能級(jí)靠近TiO2的價(jià)帶能級(jí),因此,在TiO2中摻Fe3+,既可以成為電子的捕獲位又可以成為空穴的捕獲位,能夠同時(shí)捕獲電子和空穴,從而降低了電子空穴對(duì)的復(fù)合幾率;并且,這種對(duì)電子和空穴的捕獲是一種淺勢捕獲,很容易釋放并能夠有效地遷移到TiO2的表面參與光催化反應(yīng),提高了TiO2的光催化效率。

摻Fe3+的納米TiO2在室內(nèi)較弱紫外線的照射下,明顯提高了光催化效率,仍從能級(jí)的理論作以下解釋:由于Fe3+部分地取代了TiO2中的Ti4+, Fe3+/Fe2+的能級(jí)略高于TiO2的導(dǎo)帶能級(jí), Fe3+/Fe4+的能級(jí)略高于TiO2的價(jià)帶能級(jí),從而在TiO2的帶隙中形成了新的能帶,并且能級(jí)交錯(cuò)。這時(shí),半導(dǎo)體光生電子在吸收較低的能量時(shí)即可以發(fā)生躍遷,從而導(dǎo)致光譜紅移和光響應(yīng)范圍擴(kuò)大,較弱的紫外線就能夠激發(fā)光生載流子的產(chǎn)生,從而提高了光催化活性。

因此，在納米TiO2中摻Fe3+,有效地促進(jìn)了電子和空穴的分離和遷移,從而提高了納米TiO2的光催化效率;擴(kuò)大了光響應(yīng)范圍,提高了室內(nèi)弱紫外光照射下對(duì)氮氧化物的降解率。從能級(jí)的理論可以很好地解釋Fe3+在納米TiO2的光催化過程中的作用。

作為一種主要的大氣污染物，SO2所造成的危害(如酸雨等)已引起公眾特別是環(huán)境保護(hù)工作者的關(guān)注。目前，一般采用催化燃燒、化學(xué)氧化和吸附等方法對(duì)SO2加以去除，但都有一定局限性，如設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用較高，去除不完全及有二次污染等.因此，開發(fā)新型實(shí)用的環(huán)保技術(shù)是非常必要的。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體光催化劑在光催化氧化去除污染物方面，具有能耗低、反應(yīng)條件溫和、操作簡便、可減少二次污染等突出特點(diǎn)，有著誘人的應(yīng)用前景。作為一種重要的半導(dǎo)體光催化劑，ZnO在能量的轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存及光催化降解水體中的有機(jī)污染物等方面均有報(bào)道。但是，對(duì)氣相光催化反應(yīng)的研究報(bào)道甚少，尤其是對(duì)主要大氣污染物之一的SO2，用光催化氧化去除的研究尚不多見。另外,作為一種重要的新型材料，由于超微粒子在磁性、光吸收、化學(xué)活性和催化等方面具有特異的性質(zhì)，已引起人們的高度重視。此外，大氣中浮游的固體物質(zhì)可能含有半導(dǎo)體(TiO2，ZnO和PbO等)，它們受光照射可引發(fā)光致氧化還原反應(yīng)，這對(duì)于用光化學(xué)反應(yīng)消除大氣污染是有利的[6]～[8]。

4.前景展望

光催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。它可以太陽光作為能源，降低運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。但此項(xiàng)技術(shù)還處于由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化發(fā)展的階段，還有許多工作要做。如何以最經(jīng)濟(jì)、最簡便的方式將納米材料應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中去清除大氣和水體的污染，還要經(jīng)過長時(shí)間的努力才能實(shí)現(xiàn)。

納米技術(shù)在空氣污染控制中的應(yīng)用，不僅可以直接降解或吸附空氣中的污染物，而且還可通過新的清潔能源開發(fā)，從根本上解決現(xiàn)行能源燃燒時(shí)產(chǎn)生的廢氣污染問題。而納米技術(shù)在水污染控制中的應(yīng)用，可以大大提高水中難去除物質(zhì)的去除率，使復(fù)雜的處理過程簡單化，成本下降?？梢灶A(yù)見，利用納米技術(shù)的環(huán)保工藝和技術(shù)將成為未來環(huán)境保護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

[1]張志焜,崔作林.納米技術(shù)與納米材料.第1版.北京：國防工業(yè)出版社.2001

[2]王峰.納米TiO2光催化降解鉻（Ⅵ）的研究.南京理工大學(xué)，學(xué)位論文.2004

[3]梁奇峰，曾育才.納米技術(shù)及其在水處理中的應(yīng)用.廣州化工.2004，32（1）：17－19

[4]閻光明，李桂枝等.納濾膜在水處理中的應(yīng)用.環(huán)境工程.2001，19（1）：23－25

[5]劉轉(zhuǎn)年，金奇庭，周安寧.納米技術(shù)處理廢水.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.2002，3（10）：75－78

[6]張汝冰，劉宏英，李鳳生.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展.化工新型材料.27（5）：3－5

[7]趙聯(lián)芳，傅大放，錢春香.摻雜Fe3+的納米TiO2光催化降解氮氧化物研究.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2003，33（5）：677－680

[8]井立強(qiáng)，孫曉君，徐自力，蔡偉民，杜堯國.ZnO超微粒子光催化氧化SO2的研究.催化學(xué)報(bào).2002，23（1）：37－40