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粉体材料技术及应用分析纳米材料篇 [复制链接]

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二、纳米粉体

纳米粉体是具有奇特和优良的功能性材料。在目前世界上应用已从军事领域向民用领域发展;在军事、能源、化工化学、敏感材料、光电、食品卫生、环保和生物医药等领域应用具有十分广扩的前景;在人们的日用生活制品领域,可涉及衣、食、住、行等各方面;可显著改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。同时,纳米粉体在水和空气污染的治理上也能有广泛的应用,这点对我国环境治理工作有着重大意义。纳米材料是当今新材料研究领域中最附有活力、对未来经济发展和社会发展有着重要影响的研究对象,也是纳米科技中最为活跃最先得到应用的重要组成部分。纳米材料制品作为一种高科技产品,其优良的性能,在国民经济的各个领域都有广泛应用,具有广阔的应用前景。随着技术和社会的不断进步,代表21世纪先进科技的纳米技术和产业必将得到长足进展。

随着工业社会的发展和人口的增加,人类本已有限的水资源受到日益严重的污染,水污染为当今社会的严重问题。而近年来逐渐发展起来的光催化氧化技术为治理水源的有机物污染提供了一条新的途径。纳米Ti02是目前应用最为广泛的一种光催化剂,具有着以下优点:对光的吸收率较高;化学稳定性良好;氧化还原能力强,有较高的光催化活性;对很多有机污染物有较强的催化降解作用,是目前用于光催化的主要材料,广泛应用于空气净化、水处理、抗菌纺织、纳米涂料、纳米塑料、防晒化妆品等领域。

纳米Ti02是目前应用最为广泛的一种纳米材料,其具有的不透明性、紫外线吸收性以及熔点低、磁性强、热导性能等特征,使其在空气净化、纺织、化妆品、塑料、涂料、精细陶瓷及催化剂等众多领域都有重要的应用。光催化氧化的机理主要是自由基反应,而体系产生的活性中间体H则是形成自由基的重要引发剂。在紫外光结合氧化剂对有机污染物进行氧化降解的过程中,在多数情况下主要是利用了羟基自由基的产生及其一系列的反应。在超微细Ti02、水和空气的体系中,把分散在溶液中的每一颗Ti02半导体微粒近似地看成是一个小型的短路的光电化学电池,当用能量大于能带隙的光,尤其是紫外线的光照射时,Ti02超微粒子吸收光而自行分解出自由移动的带负电的电子(e.)和带正电的空穴(h+),形成电子一空穴对,吸附溶解在Ti02表面的氧俘获电子形成·02,而空穴则将吸附在Ti02表面的OH_和H20氧化成·OH。新生成的这两种自由基具有很强的化学活性,特别是原子氧能与多数有机物发生氧化反应,因而能有效分解水中多种有机物质,使水中的有机污染物彻底氧化降解为C02和H20:同时还可以氧化细菌内的有机物,从而杀死细菌;还能氧化有毒的无机物,使之在短时期内失去毒性。

研究发现,纳米Ti02光催化剂催化活性的高低取决于纳米粒子的粒径和晶型。纳米Ti02主要有2种晶型:金红石和锐钛矿三种晶型。研究表明金红石型Ti02仅有微弱的光催化活性,锐钛矿型Ti02的光催化活性最强。然而,粉末状纳米Ti02催化剂在使用过程中存在着易失活、易凝聚和难回收等弱点,人们尝试将Ti02粉末固定在某一载体上,制备了负载型的Ti02光催化剂。目前,光催化剂载体主要有两大类:无机载体和有机载体。无机载体主要是以含硅物质为基质,具有极好的耐热性能和化学稳定性,在烧结过程中基质与催化剂颗粒间会产生较强的粘结力。在有机材料上固载Ti02存在着一定的困难,因为大多数有机质本身不耐光催化剂的强氧化反应。至今,已发现有多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下被Ti02降解。特别是当水中有机污染物用其他方法很难降解时,这种技术有着明显的优势。上海汇精亚纳米新材料有限公司利用自身优势,研发生产的复合纳米光触媒空心陶瓷微珠及光催化蜂窝陶瓷,就是利用纳米二氧化钛的光催化特性,应用于污水处理、空气净化等领域,取得显著的实效。

1、处理受染料工业污染的源水:受染料业污染的水中含有苯环、胺基、偶氮基等致癌

物质,常规方法处理水溶性染料的降解效率通常很低。研究发现,用Ti02/Sich体素能够很迅速地降解R.6G染料,而且可以破坏染料分子中的芳香基团,达到完全降解的目的。另有报道称,对于电镀、制革和印染行业废水中的常见污染组分Cr(VI),采用P25Ti02作为光催化剂,在苯酚、葡萄糖等有机物存在的情况下,能有效地促进其光催化还原,达到C“VD完全被去除的效果。为便于工业应用,把表面涂覆有纳米Ti02膜的玻璃填料充于玻璃反应器内,通过潜水泵使微污染水在反应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米Ti02具有巨大的比表面积,与水中有机物接触更为充分,可将它们最大限度地吸附在其表面,迅速将有机物分解为C02和H20,处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理,COD除去率和脱色率均较高。催化剂再生后能连续使用对二氧化钛对三苯基甲烷等染料的光催化降解研究发现除二氧化钛的晶型外,pH值、催化剂浓度及有无氧化剂的存在等因素对降解速率都有一定的影响的研究表明,有Ti02涂层的碳粉对亚甲兰在紫外光下有较高的光催化降解活性,而表面有碳涂层的Ti02则是很好的重油吸附剂,碳涂层吸附的重油在紫外光作用下被Ti02光催化降解,碳涂层本身也有催化降解作用,而且它能够使Ti02在高温下保持高活性的锐钛矿晶型H81。方世杰、徐明霞和黄卫友等制备了10I吼左右的Ti02颗粒并把它制备为玻璃衬底薄膜进行紫外光光催化降解甲基橙的研究,发现催化剂用量、甲基橙初始量、pH值、光强度等对甲基橙脱色率都有影响。

2、处理受农药污染的源水:目前对有机磷农药污染水处理多用生化法,处理后废水中

有机磷质量浓度仍较高。

3、处理含氯代有机物的源水:日本东京大学野口真用纳米Ti02光催化剂与臭氧联合进行水的净化处理。在模拟水处理实验中,以质量浓度为16m∥L的三氯酚的水溶液,分别采用纳米Ti02光催化剂与臭氧联合,单独用光催化剂纳米Ti02和单独用三种方法对其进行处理。纳米Ti02光催化剂与臭氧联合处理2h后,三氯酚的残留质量浓度已为零,效果相当明显。用内表面涂覆纳米Ti02光催化剂的陶瓷圆管处理质量浓度为5.5m∥L苯酚和三氯乙烯水溶液的实验表明,苯酚在1.5h后完全分解,三氯乙烯也在2h内完全分解。

4、处理含表面活性剂的源水:生活污水中含有表面活性剂,易产生异味和泡沫。非离子型和阳离子型表面活性剂会产生有毒或者不溶解的中间体。采用纳米Ti02光催化分解表面活性剂已取得较好效果。虽然表面活性剂中的链烷烃部分采用光催化降解反应还较难完全氧化成C02,但由于苯环被破坏,其毒性大为降低,生成长链烷烃副产物对环境的危害明显减小。

5、处理受污染的地下水源:工农业排放废水渗入地下水中的有机物含量增加,这些有机物易与水处理过程中的氯反应生成致癌性的三卤化物(THM)。据报道,Ti02膜能脱除水中97%的有机卤素化合物,总有机碳(TOC)含量可降低90%以上,并能减少盐分、硬度、重金

属和其他污染物,降低颜色深度,脱除大量的可溶性有机物质,减少形成THM的前体物。

6、处理含油污染的源水:对于不溶于且漂浮于水面上的油类污染物的处理,也是近年

来人们很

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