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纳米技术与城环境治理CrossOceanLabs

纳米技术与城市环境治理

爱迪英

摘要:

近年来随着我国社会的发展和城市化进程的逐渐加快，城市垃圾总量迅速增多。

城市垃圾不仅侵占土地、污染空气、水体和土壤，而且也为疾病传播和爆炸事故带来了隐患。

因此，寻找合理有效的城市垃圾处理方法迫在眉睫。

其中，纳米材料因具有奇异的物理和化学特性，将其应用于城市垃圾处理中具有效率高、投资省、运行成本低和不产生二次污染等优点，目前已经获得了国内外相关研究者的广泛关注。

本文通过参阅国内外的相关文献报道，对纳米材料在城市垃圾处理中的相关应用进行了归纳分析，以期为相关工作者提供参考。

关键词：

环境治理；纳米材料；纳米TiO2；处理

1.引言

随着我国经济和社会的不断发展，城市垃圾总量迅速增多，对环境构成了极大的威胁。

城市是社会发展和进步、人类文明进化的重要载体，也是人类社会活动的聚集地和主要场所。

随着生产的发展、科学的进步、人口的增长以及城市化进程的加速等等，世界各国的城市垃圾都在不断的发生变化：

产量成倍增加、成分日趋复杂。

刘盛萍指出城市垃圾是人们生活过程中产生的固体废弃物。

在收集、运输和处理处置过程中，其中含有的和产生的有害成分，会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城市环境卫生质量，而且威胁人们的身体健康[1]。

一般来说城市垃圾的危害主要体现在以下几个方面：

1）侵占土地。

胡宏伟[2]通过调查发现绝大部分城的市垃圾都没有经过任何处理便被直接的运往郊外或乡村进行露天堆放或填埋，这种处理方式侵占了大量的土地。

2）污染空气。

生活垃圾是一种成份复杂的混合物，其在适宜的温度和湿度下被微生物分解，能释放出有害气体，危害周围的大气环境，即使垃圾填埋场也会产生大量的垃圾填埋沼气，并且其中含有微量的H2S、NH3、CS2、RSH和某些有毒金属等微量气体，也会造成严重的大气污染。

刘思彤等以辽宁省为例研究发现，城市垃圾的空气污染不容忽视[3]。

此外，胡颖慧等研究发现城市垃圾和其他固体废物在运输、露天堆放、处理过程中如缺乏相应的防护和净化措施，将会造成细末和粉尘随风扬散；堆放和填埋的废物渗入土壤，有机物分解产生恶臭，释放出大量有害气体，高达100多种，严重污染大气并使大气质量下降[4]。

垃圾焚烧炉运行时会排放出颗粒物、酸性气体、未燃尽的废物、重金属与微量有机化合物等。

3）污染水体。

杨帆[5]研究指出城市垃圾中不仅含有很多的病原微生物，而且其在堆放腐败的过程中也会产生大量的酸性和碱性的有机污染物。

此外，垃圾中的重金属也会被溶解出来，进而形成了有机物、重金属和病原微生物三位一体的潜在危害。

一旦这些渗滤液流入周围地表水体和渗入土壤，将会造成地表水和地下水的严重污染。

4）污染土壤，进而危害农业生态。

万书明等[6]研究发现，未经处理或未经严格处理的垃圾直接进行填埋或堆放，其将会对周围土壤产生严重的污染，进而危害农业生态。

5）其它方面。

城市垃圾还可以导致疾病传播和引起爆炸事故等问题。

可见，对城市垃圾进行合理有效的处理，减少垃圾的危害将具有重要的现实意义。

目前能够实现工业化的城市垃圾处理技术基本上归纳为四大类即垃圾卫生填埋技术、垃圾堆肥化技术、垃圾综合处理技术和垃圾焚烧处理技术，其中填埋占70%以上。

周东[7]和肖琳[8]研究发现目前我国大多数城市的垃圾处理方式都较为单一，且技术水平低，造成二次污染较为严重。

随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，垃圾组分与热值也在变化，单一的垃圾处理方式已不能适应发展的要求。

为了对城市垃圾进行合理有效的处理，减少危害，国内外学者已经开展了广泛的研究。

目前相关学者研究发现纳米材料因具有奇异的物理和化学特性，将其应用于城市垃圾处理中具有效率高、投资省、运行成本低、不产生二次污染等优点，有望解决传统垃圾处理存在的问题。

其中，纳米二氧化钛（TiO2）以其价廉无毒、具有合适的禁带宽度、大的比表面积、化学稳定性好、氧化还原能力强、对人体无害、绿色环保、无二次污染且能重复使用等优点而倍受关注。

2.纳米技术在城市垃圾处理中的应用

目前国际上已经开展了纳米技术在城市垃圾处理领域的研究，某些较高层面的研究甚至已达到试用阶段，如美国、日本等国已将半导体纳米粒子材料做成空心小球，浮在含有油渍的水表面上，利用太阳光进行有机物的降解。

我国利用纳米技术治理城市垃圾的研究也正如火如荼的开展，主要集中在污水处理、大气污染治理、固体垃圾处理等领域。

2.1污水处理方面

2.1.1有机污染物的处理

LesleyJoseph等[9]研究证实利用带纳米孔径的处理膜和纳米孔径的分子筛可以将水中的微生物和胶体进行完全的滤除。

其中，纳米TiO2具有很强的紫外光吸收和光催化降解能力，其可以快速的将吸附在其表面的有机物进行分解。

目前利用纳米TiO2光催化处理含有机污染物的城市垃圾渗透液等污水已经引起了人们的广泛关注。

国内外的研究已经表明污水中的卤代脂肪烃、卤代芳烃、有机酸类、硝基芳烃、取代苯胺、多环芳烃、杂环化合物、烃类、酚类、染料、表面活性剂等有机污染物都可以通过光催化反应有效分解，最终生成无机小分子物质，实现水资源的再生利用。

郑怀礼等指出水环境有机污染物种类繁多，几乎遍布于所有废水中，其中印染废水、化工废水、造纸废水、制药废水含量最多、成份最复杂、毒性最大[10]。

印染废水成分复杂，常含有多种有机染料及中间体，因其组分变化大、色度深、毒性强、浓度高、难降解，一直是城市废水处理的难点。

胡颖慧等研究发现采用纳米TiO2光催化可以有效脱色，并能将染料分子矿化[11]。

王景芸等采用简易的水解法制备催化活性高、不易流失、可重复使用的纳米TiO2光催化剂，选择三苯甲烷类染料二甲酚橙作为降解的对象，考察制得的纳米TiO2光催化剂对二甲酚橙的降解性能，研究发现其降解率最高可达97.6％[12]。

谭欣等[13]采用非整比纳米TiO2-x膜光催化降解水中低浓度卤代烃，降解率可达到99.9%，完全满足饮用水深度净化处理的要求。

从垃圾堆放场流出的渗滤液，可渗透到地下，对地下水引起严重的污染。

谭小萍对光催化氧化技术用于垃圾填埋场渗滤液的深度处理的可行性及其影响因素，进行了实验室规模的研究，证明了TiO2能对渗滤液中的有害物质有效的去除[14]。

此外，利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。

2.1.2无机污染物的处理

近年来，国内外有很多学者发现纳米材料可用来吸附去除水体中的重金属。

项艇等[15]指出纳米纤维具有很高的比表面积，静电纺丝纳米纤维膜用于分离富集重金属具有很大的潜力。

李晨桦等[16]利用膨润土负载纳米铁去除地下水中六价铬，其结果显示去除效果良好。

王竞[17]采用改性的纳米TiO2对六价铬的吸附性研究，其发现当pH=2.5，初始浓度为100mg/L时，纳米TiO-N/CHS对Cr（VI）的去除率最大，附Cr（VI）的能力最强。

此外，碳纳米管等纳米材料也对重金属具有很好的吸附能力。

MuatazAliAtieh等[18]研究了碳纳米管处理废水中的Cr（VI），其也可以获得良好的处理效果。

2.2大气污染治理方面

大气污染是全人类面临的重大课题，纳米技术和纳米材料的应用将是解决这个问题的新途径。

唐宏波[19]通过调查发现目前在城市垃圾处理中纳米TiO2应用最为广泛，其可以在紫外光的照射下将自身表面吸附的NO、H2S和SO2等有害气体分解，形成蒸汽压低的硝酸和硫酸，这些硝酸和硫酸可通过水溶液吸收加以除去，从而达到净化空气的目的。

目前纳米光触媒技术已经引起了国内外学者的广泛关注，其是利用纳米TiO2的光催化性能进行除臭杀菌的，其不仅具有除臭作用，还能杀死环境中的细菌，并且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。

作为一项新型的脱臭技术,纳米光触媒技术在抗菌、清除环境异味等方面具有良好功效。

余佩佩等[20]将纳米光触媒技术成功的运用到了城市垃圾中转站内的臭气处理中，如图1所示。

他们通过试验监测数据发现，纳米光触媒技术对于垃圾臭气的治理效果显著而且运行稳定，去除率可达80％以上。

图.1纳米光触媒技术处理城市垃圾中转站内的臭气工艺流程图

可见纳米光触媒技术是一种新型的空气脱臭技术，如果将该技术成功运用到城市垃圾臭气的处理中将有效解决臭气扰民的问题。

我国的盖亚公司在充分调查研究城市垃圾中转站中垃圾成分及产生的臭气特征的基础上，通过多次的垃圾臭气治理的相关试验证实纳米光触媒工艺可以有效的治理生活垃圾的臭气，进而妥善解决城市垃圾的收集转运中的难题。

2.3固体垃圾处理方面

城市固体垃圾含有的各种有机污染物，采用一般的生物法处理技术，对有些污染物难于降解。

纳米TiO2催化技术，在降解过程中其表面产生的氢氧根（OH-）自由基的氧化能力极强，对反应物几乎无选择性，其可以将许多难于用其他方法降解的污染物处理成无机化，如CO2和H2O，以及相应的化合物。

纳米TiO2的光催化作用可以有效杀灭城市垃圾中滋生的有害细菌，这些细菌主要是由有机物组成，纳米TiO2在光的作用下可直接破坏细胞壁、细胞膜或细胞内的组成成分，对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄测葡萄球菌、沙门氏菌、牙枝菌和曲菌等具有很强的杀灭能力。

目前国内学者将纳米技术和纳米材料应用于城市固体垃圾处理已经获得了一定的成果。

其中杨晓芬[21]指出将橡胶制品、塑料制品、废旧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。

例如把废橡胶轮胎制成粉末用于铺设田径运动场、道路和新干线的路基等。

汤宏波[22]研究发现应用TiO2可以加速城市垃圾的降解，其降解速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的巨大压力。

3．纳米材料在城市垃圾处理应用中的发展趋势

目前纳米TiO2由于具有自身的很多优点而在国内外的城市垃圾处理中倍受青睐。

纳米TiO2作为一种环保型多相半导体光催化剂，虽然存在着种种优点，但由于其自身的导带宽度较窄，电子-空穴易复合等原因，悬浮态的纳米TiO2粉体存在难以分离回收、光能利用率低等问题，通常可以通过掺杂过渡金属元素、负载化、协同催化、表面处理等提高TiO2的光催化活性，因此近来在原有基础上，一些新的组装方法、新型纳米TiO2催化剂层出不穷。

3.1新型助催化技术

3.1.1光电协同助催化

通过将TiO2固定于工作电极上，在外加电压，或溶液浓度差产生的偏压下，使电子-空穴分离，从而分别流向正负极，可以大幅度提高纳米TiO2催化降解污染物的性能。

张溪[23]采用原位阳极氧化法在Ti基底上制备了高度有序的TiO2纳米管阵列。

研究显示光电协同催化作用和纳米管结构产生的吸附作用极大促进了TiO2纳米管阵列对有机物的降解效率。

该方法应用简便、有效、耗能低、极易实用化。

3.1.2微波场助催化

微波场的引入可以大幅度提高纳米TiO2光致电子的跃迁几率，同时在微波场的极化作用下，TiO2可以产生更多的表面缺陷中心，这些缺陷中心可以充当电子-空穴的陷阱，从而进一步降低了电子-空穴的复合机率，因而使TiO2表现出更高的光活性。

王景芸等[24]利用微波辅助纳米TiO2紫外光催化降解吲哚。

其研究显示，微波辐射与紫外光催化在氧化降解废水中的吲哚时具有良好的协同作用。

微波辅助紫外光催化氧化反应60min后吲哚的去除率达到了79.8％。

3.1.3超声波助催化

在超声波作用下，由于声空的原因，溶液中会形成高温、高压的微环境，并随之产生强大的冲击作用和微射流现象。

H2O及O2在这种极端条件下会离解出大量活性氧自由基，从而促进了污染物的降解。

此外，空化气泡对TiO2颗粒表面的冲刷作用有利于表面活性位置对降解产物的脱附以便与污染物反应，大大提高了光催化反应速度，从而可以显著的提高降解率。

3.1.4掺杂改性

Badruddoza等[25]研究发现通过将在纳米TiO2晶格中掺杂一些贵金属、金属离子或非金属元素、稀土元素、阴离子（N、C、F、S等）和半导体化合物等，可以明显的改善TiO2光催化剂的活性及其表面吸附能力。

柴瑜超等[26]指出离子掺杂提高TiO2的光催化性能的原因为：

1）造成晶格缺陷和晶格畸变，增加氧空位；2）形成捕获中心，抑制光生电子和空穴复合；3）形成掺杂能级，降低TiO2的带隙。

3.2沸石负载纳米TiO2

近年来，利用沸石和纳米TiO2的协同效应制备出沸石负载纳米TiO2高效复合光催化剂的研究引起了人们的特别关注。

沸石不同于一般常用的固体吸附剂（如硅胶、活性碳等），它有2个显著特点，即选择性吸附和高效率吸附。

对于沸石负载纳米TiO2光催化剂，其催化机理与单纯纳米TiO2光催化机理大致相同，与TiO2负载于沸石位置无关，沸石只是作为载体，起到辅助作用。

沸石孔洞内具有很强的电场强度，表面富集了大量电子，可以抑制电子-空穴复合，从而使沸石吸附的有机物可以快速被活性基团捕获，进而提高了纳米TiO2光催化剂的光催化活性。

此外，沸石负载纳米TiO2光催化剂易于回收和重复利用。

方送生等[27]对甲基橙的光催化降解表明，沸石/TiO2光催化剂经200C处理后具有最大的光催化活性，同等条件下纯TiO2光催化剂处理温度要达到450C，而且含量也仅是纯TiO2光催化剂的1/10左右。

3.3TiO2纳米管

TiO2纳米管因其独特的空心管状结构、特殊的表面区域和孔体积呈现出一系列独特的物理化学性能。

TiO2纳米管阵列比TiO2纳米薄膜表现出更强的光催化活性。

TiO2纳米管阵列由于抑制了电子-空穴对的复合，提高了光催化反应效率，因而可以作为优良的光催化剂。

鉴于TiO2纳米管的可见光催化性能和能量转换效率还较低，当前学术界除了优化TiO2纳米管制备工艺外，还可以对TiO2纳米管进行金属或非金属掺杂、表面修饰以及半导体复合改性从而改善其对可见光的利用效率。

但是迄今为止，对TiO2纳米管阵列膜的研究均处于实验室研究阶段，一般对单一污染物的研究较多，综合性分析研究的报道还较少。

周蕾[28]和洪文珊[29]等指出TiO2纳米管阵列的制备条件与工业化生产也存在较大差距，要向大规模实际应用过渡还有很长的一段过程。

3.4其他纳米材料

3.4.1碳纳米管和石墨烯

自从富勒烯、碳纳米管和石墨烯被人们发现出来，纳米碳材料以其独特的物理化学性质吸引了无数研究者的探索研究。

作为碳纳米材料家族中的重要成员的碳纳米管和石墨烯，由于它们具有特异而优良的化学和物理特性而受到了城市垃圾处理研究者的普遍关注。

WangChun[30]等人利用石墨烯有巨大的比表面积，对有机污染物有强大的吸附能力来去除污水中的有机污染物。

LiYan-Hui[31]等探讨了碳纳米管对无机离子F-的吸附去除，他们的研究表明，定向碳纳米管对氟离子附容量达415mg/g以上。

李莉等[32]研究了碳纳米管经浓硝酸氧化后对水中镉离子的去除效果，效果也明显高于未氧化的碳纳米管，且当其用量为4g/L时，氧化的碳纳米管对水中镉离子的吸附去除率达到93.6％。

3.4.1纳米零价铁

纳米零价铁具有超大的比表面积和很高的表面活性，其还原降解能力很强并且在地下水和土壤的原位和异位修复技术中有很好的适应性。

纳米零价铁颗粒能为一些具有挑战性的环境治理问题提供性价比较高的解决方法。

研究表明，纳米零价铁颗粒能有效转化种类繁多的常见环境难降解污染物并降低其毒性。

但纳米铁由于其特殊结构，表面易氧化，使反应性降低。

目前纳米铁技术仍然有很多待改进的问题，如铁的氧化物或氢氧化物沉淀造成铁的反应性降低和PRB的堵塞，延长纳米铁的使用时间都是亟待解决的问题。

今后功能负载修饰研究将成为今后研究的重点，这也可以提高纳米零价铁在环境修复中的应用。

4．纳米材料在城市垃圾处理中的工业化应用

目前有关纳米材料在城市垃圾处理中的应用已经有很多的相关报道，其中以纳米TiO2的应用最为多见。

纳米TiO2作为一种环保型多相半导体光催化剂，对一些毒性大、生物难降解的有机污染物，在常温、常压下就可以彻底氧化为H2O和TiO2等小分子，纳米TiO2在城市垃圾处理中应用前景广泛，但当前大部分研究处于实验室研究阶段。

我国的盖亚公司有望将这一技术工业化，该公司根据我国城市垃圾的特点，引进国外的垃圾处理先进技术，开发设计了一套适合中国国情的城市垃圾综合处理技术，该项技术已获得中华人民共和国发明专利。

图2为发明专利证书，利用城市垃圾生产车用沼气和有机复合肥，利用纳米TiO2的光催化性能对城区空气进行除臭杀菌，达到净化空气的目的，利用纳米TiO2光催化氧化法对生活污水和垃圾渗滤液进行处理，同时采用新的一种纳米材料和纳米技术将污水中的重金属提取出来，变害为宝。

图.3为盖亚公司城市垃圾综合处理主要技术流程图。

图.2为发明专利证书

图.3盖亚公司城市垃圾综合处理主要技术流程图

5.总结

近年以来，人们对居住地环境、生态要求越来越高，各种对垃圾处理排放限定的法规制度不断出台，以及化石能源的日益枯竭，生活垃圾的无害化，减量化，资源化处理是实现环境保护的基本要求。

利用纳米技术可以从根本上实现城市垃圾无害化、资源化目标，实现废物—能量的转化，做到化害为利、变废为宝，实现城市垃圾的再生利用，可以预见，纳米技术作为一门全新学科，在城市垃圾处理中的应用前景广阔。

但是值得注意的是，当前大部分纳米技术还处于由实验室向工业化转变的阶段，反应机理和理论方面的研究有待进一步深入。

纳米TiO2光催化降解技术具有操作简单、常温常压下可以进行，来源广泛、价格较低，污染治理彻底，无二次污染，绿色环保等优点，在环境污染治理中将日益受到人们的重视，具有广阔的应用前景。

纳米光触媒技术作为一项新型的垃圾处理技术，在抗菌、除异味、污水治理、再生利用等方面必将大放异彩，这也与当前中央要求的节能减排大环境相符合。

此外，将纳米技术应用于城市垃圾综合治理，前景十分看好，无论是政策环境，还是产业规模，都具有良好的市场机会，必将带来极大的经济效益，这对推动社会文明进步，建设绿色家园也有极大的促进作用。

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