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材料科学概论结课论文

院系：化学与环境工程学院 班级：环境工程11102班

材料科学与环境工程相结合近期的发展

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材料是人类文明进步的物质基础和先导，材料科学的发展水平在一定程度上代表了一个国家工业水平的高低，目前很多高新技术的瓶颈归根结底都是要解决材料问题。但是，材料科学在其发展的历史上，也是造成资源、能源过度消耗，自然生态环境不断恶化的主要元凶之

一。环境污染和生态平衡破坏已经严重地制约了我国经济的发展。这其中与材料有关的环境污染占到了一半以上。因此，材料产业只有走与资源、能源和环境相协调的道路才是可持续发展的。也正是在这样一个背景下，必须要环境工程与材料科学相结合进行发展。

环境问题是当今社会发展所面临的三大类主要问题之一，人们在创造空前巨大的物质财富和前所未有的社会文明的同时，也在不断破坏其赖以生存的环境。从资源、能源和环境的角度考虑，材料的提取、制备、生产、使用和废弃的过程，实际上是一个资源和能源消耗及环境污染的过程。材料一方面推动着人类社会的物质文明，一方面又大量消耗资源和能源，并在生产、使用和废弃过程中排放大量的污染物，危害和恶化人类赖以生存的空间。材料产业一方面成为环境污染的主要来源之一，另一方面环境的净化与修复在很大程度上都依赖于更高性能材料的开发。用于防止、治理或修复环境污染的材料称为环境工程材料。

环境工程材料包括环境净化材料、环境修复材料以及环境替代材料。治理大气污染的吸附、吸收和催化转化材料，治理水污染的过滤、吸附、氧化还原材料，减少有害固态废弃物污染的固体隔离材料，噪声控制材料、电磁防护材料等，都属于环境净化材料；另外还包括过滤、分离、杀菌、消毒材料等。防止土壤沙漠化的固沙植被材料属于环境修复材料。从材料的全生命周期进行考虑，环境替代材料可以被划归在环境协调性材料里面。

1 环境净化材料

1.1 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。天然粘土能吸收重金属、多环芳烃、碳氢化合物和苯酚等，可用于石油化工厂的污水净化。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。目前对于天然沸石的研究主要集中在通过物理化学方法对材料的表面性质进行改性，制备介孔复合体材料，降低其制备成本以及进一步提高吸附效率。文献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，文献中报了由淀粉、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。实验证明，这种多糖吸附剂具有非常优秀的去除水体中污染物的能力，与传统的吸附剂相比更具竞争实力。

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

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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 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。使用高岭土、长石、石灰石、石英等制备了符合要求的固定化微生物的多孔陶瓷，根据实验确定了最佳的制备参数，达到了较好的水处理效果。

氧化还原属于一种污水化学转换处理工艺。用于氧化还原处理的材料主要是各种化学试剂，包括氧化剂、还原剂以及催化剂等。常用的氧化还原材料有活泼非金属材料和含氧酸盐；常用的还原材料有活泼金属原子或离子；常用的催化剂有活性炭、粘土、金属氧化物及高能射线等。

1.2 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。从材料科学与工程的角度看，无论是吸附法、吸收法还是催化转化法，都要借助于一定的材料介质才能实现。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。吴晓东等对钙钛矿型催化剂 La0.7Sr0.3MnO3+λ的催化活性进行了广泛而深入的研究，结果表明，这类催化剂对于汽车尾气具有很高的催化活性。尽管浸渍贵金属的催化剂有着优异的催化活性，但掺杂稀土的钙钛矿型复合氧化物催化剂已经达到了部分取代贵金属的效果。 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。蜂窝陶瓷具有热稳定性好、热膨胀系数小等优点，通常还在堇青石基质材料的表面附上较高比表面的多孔物质，使活性成分容易且牢固地负载在载体表面，提供一个良好的催化反应环境。一般的涂层材料为活性氧化铝，Kummer J 也曾使用氧化锆作为涂层，提高了载体的耐高温性。

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。离子注入 Sn 及纳米镶嵌 Au 和 Ag都获得了较好的实验结果。由于 TiO2光催化剂在空气净化、杀菌、消毒、防雾、防尘等领域具有广阔的应用前景，因此，国内外在应用开发方面都投入了大量的人力物力。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。根据王君等的研究，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。TiO2不仅能够催化醇醛酸、氮氧化合物、硫氧化合物、卤代物等物质的分解转化，还具有除菌的作用,是性能优良的室内空气净化催化剂。将 TiO2涂覆在卫生陶瓷和玻璃表面，在室内荧光灯的照射下 1 h 内可杀死 99%附着于其上的大肠杆菌绿脓杆菌等。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），。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

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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。美国联合碳化物公司用人工合成沸石回收 SO2，体积数由 3 500 !l/L下降至 15~25 !l/L，回收率达 98%~99%；美国诺顿公司用沸石分子筛处理硝酸厂尾气中的 NOx体积分数由2 500 !l/L下降到 10 !l/L；我国杭州大学催化剂研究室将丝光沸石改型后载上微量贵金属和某些过渡性金属氧化物，制备出处理有机废气的高活性 NZP 系列有机废气催化剂，使有害气体净化率达到了 95%以上。

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%，但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。不同国家对生物修复方面的研究有不同的侧重，欧洲国家注重对传统的产生污染的工艺以及废物的处理系统进行改进，达到缓解或消除环境污染的目的；美国则侧重于对不同污染地的土壤和水体的整治和修复，尤其是外源有机污染物的治理；日本将其重点放在解决全球性的环境修复上，体现在以生物制氢为动力的研究和利用微生物对大气中二氧化碳进行固定，以减轻和消除工业造成的温室效应问题。我国研究的最主要的环境修复材料是固沙材料。

2.1 固沙植被材料

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。

目前，我国沙漠化及荒漠化面积已达国土面积的 1/6，随着中央作出西部大开发的决定，怎样有效地保护西部相对脆弱的环境就摆在了广大科学工作者的面前。在防治荒漠化方面，西部院所取得了出色的成果。兰州化物所研制出的系列固沙剂具有生产工艺简单、成本低、易制成水溶液、可以喷洒等优点。在塔克拉玛干沙漠、塔里木盆地的现场实验表明，使用剂量为 0.2 g/m2时，固沙厚度可达 5～8 mm。兰州大学从 20 世纪 80 年代开始就在防治荒漠化和干旱生态农业方面投入了很大的力量，其化学化工学院目前已完成淀粉接枝、天然纤维接枝高分子材料和丙烯酸性高分子材料 2 个系列的高吸水性树脂的研究工作，树脂改性后用于中卫沙坡头治沙，效果优于国外同类产品。他们还研制出了可用于沙尘固定和绿化工程的高分子乳液，这项技术是把增粘剂、养生剂、高分子乳液与草籽、肥料、水混合在一起形成乳液，用压缩空气喷洒在沙地表面，可临时固定沙尘，待种子发芽生根后对沙尘起到永久性固定作用，达到绿化沙漠的目的。

2.2 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

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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。

3 结束语

环境材料是人类保护环境、走可持续发展道路的意识在材料科学中的具体体现和实践，因此无论是在理论研究，还是设计、应用与开发方面，环境材料都将随着人们对生态环境的日益重视而取得更大的进展。

环境工程材料仍然是未来环境材料领域研究的主要内容，目前对于污水处理材料的研究已经趋于成熟，未来的研究方向将瞄准新型高效、无二次污染、低治理成本的替代材料。对于大气污染，用于治理机动车等移动源排放的污染气体的催化剂已经得到广泛的应用，今后的研究将主要集中在减少催化剂中贵金属的用量，提高催化剂的催化效率及寿命，以及抗硫中毒等性能的提高方面。其他的污染防治材料，如治理噪声污染、光污染、电磁辐射等污染的材料，也将随着污染问题的凸显而加快其发展的步伐。

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。

治理环境污染的紧迫性已经切实摆在每一个人的面前，环境工程材料还有很大的发展空间。作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等多学科的新型学科，环境材料技术在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。然而，仅有技术是不够的，只有在生产和生活中广泛加以应用，才能够有效地治理和预防环境污染，实现经济、环境、生态的可持续发展。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。