环境功能材料的研究进展

环境功能材料的研究进展环境功能材料的研究进展摘摘要要：伴随社会的发展与进步，环境问题日益突出，大家开始对有环境治理与修复功能的环境功能材料引起了重视。本文简述了环境功能材料的基本特征，综述了复合材料、催化材料、生物质材料、新型环境材料等四大环境功能材料类型，并介绍了环境功能材料在未来的发展方向。关键字关键字：环境功能材料 复合材料 催化材料 生物质材料 新型环境材料1 1 前言前言作为社会经济发展的物质基础，材料对推动人类社会文明进程起着极其重要的作用，在人类社会发展和进步过程中，材料是时代和文明标志的基础。人类文明的发展史，就是学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。当下人类社会的发展以扩大开发自然资源和无偿利用环境作为发展模式，在创造巨大的物质财富和空前的社会文明时，造成了全球环境的日益恶化。面对非再生资源和能源枯竭的威胁以及日益严重的环境污染，积极探索既能保证材料性能、数量需求，又节约资源、能源并和环境协调的材料、产品，减少和消除污染以实现零排放工程，是材料产业可持续发展的治本之道。在这样的背景下，20 世纪 90 年代日本东京大学山本良一教授在材料研究中首次提出“环境材料”的概念（亦称生态环境材料），受到了世界各国材料工作者的积极响应。在开发新材料时，不仅要求考虑其优异的使用性能，还要考虑材料在制备、流通、使用和废弃的全过程中必须保持与地球生态环境的协调性。环境功能材料也由此应运而生，它是具有独特的物理、化学、生物性能，并有优良的环境净化效果的新型材料。它们可以在经典工艺中发挥重要作用，也可以为人类提供新的环境工艺。2 2 简介简介尽管环境材料的概念是近年来才出现的一个新东西，但环境功能材料的应用和生产却已经有了相当长的历史。并且随着环境材料的提出，引起人们对环境功能材料的高度重视，从而推动了环境功能材料的开发和发展。许多新型的环境功能材料不断面世，形成了新的研究热点。环境功能材料具有下列特征1：材料在使用的过程中具有净化、治理、修复环境的功能；在其使用过程中不容易形成二次污染；材料本身易于回收或再生。现阶段的环境功能材料，根据其功能与结构的不同进行划分，主要有以下几类：复合型环境功能材料、催化型环境功能材料、生物质型环境功能材料、新型环境功能材料2。3 3 分类分类3.13.1 复合型环境功能材料复合型环境功能材料复合型环境功能材料，是指通过一定的工艺将两种及两种以上材料进行制备，获得较好的性能，能够对生态环境的治理、修复有一定的促进作用。在关于环境的复合材料上，研究较多的主要有聚合物基废弃物、硅酸盐基废弃物、金属基废弃物1。3.1.13.1.1 聚合物基废弃物聚合物基废弃物对工业固体废弃物（如废砂、尾矿、炉渣、粉煤灰、玻璃纤维下脚料等）进行一定的粒度、粒形和表面活化处理后，作为增强材料；把废旧热塑性材料（如废旧农膜、食品袋、编织袋、旧轮胎再生胶等），经过一定的工艺处理后，作为基体材料；再配以适当的添加剂，通过特殊的界面处理和复合工艺，形成的以球一球、球一纤维堆砌体系为基础的复合材料3。不同的固体废弃物，采用不同配方和工艺，能开发出具有不同性能的复合材料。由于这种材料的热态可塑性和冷态可加工性，可以制成各种产品，在广泛的领域中代木、代钢、代塑和代瓷制品。又由于这种材料的原料 95%以上都是最普通的废弃物，所以价格比同类产品要低得多。3.1.23.1.2 硅酸盐基废弃物硅酸盐基废弃物硅酸盐基废弃物是通过利用废弃物材料中的活性 SiO2、Al2O3与添加剂中的Ca2+水化结合生成 CSH 和 CAH，并将最终的水化产物 CAH、Al(OH)3溶胶等作为基体，把另一些粒状或纤维状的废弃物包裹在其间，使其成为一种复合材料。或者是废弃物颗粒表层部分直接参与水化反应，水化产物联结成一个网状结构，形成一种强度更好的复合材料4。另一类硅酸盐基(陶瓷基)废弃物复合材料是使几种固体废弃物混合料中的一些氧化物成分在高温下熔融烧结成陶瓷质的玻璃体，作为基体；而另一些尚未熔融的硬质废弃物，则分散在基体中作为增强材料5。3.1.33.1.3 金属基废弃物金属基废弃物把铝及玻璃这两大类材料的废旧制品（如废旧易拉罐、铝合金型材边角料、碎玻璃、玻璃纤维厂的废弃物等），用特殊的处理方法和制造工艺，变成一种新的玻璃铝基废弃物复合材料。通过调整配方和工艺，可以制成具有不同性能的复合材料，能在各种领域里做成各种制品6。这种新型材料能使原来的这两种废弃物的性能扬长避短，既保留了铝韧性好的优点，又克服了铝硬度低的缺点；既保留了玻璃硬度高的优点，又克服了玻璃脆性的缺点。由于这两类废弃物优点的叠加，从而使这两类再生资源的价值倍增。由上述介绍可知，作为一种新型的再生资源的固体废弃物复合材料，不仅限于用废砂、尾矿、废塑料制作的聚合物基复合材料，还有用易拉罐等废旧铝料和碎玻璃制做的金属基复合材料，有用废砂、尾矿、磷渣、石灰制作的硅酸盐基复合材料等。所以，固体废弃物复合材料的原料、产品及其加工过程，几乎覆盖了国民经济建设中的各个领域和行业。废弃物复合材料所采用的原料 95%以上是各种固体废弃物，经过再生和复合后成为一种新资源（二次资源），它们的成本要比通过采、选、冶得到的一次资源成本低得多，所以既解决了固体废弃物带来的环境污染问题，又节约了各种宝贵的一次资源，还降低了制造成本，具有明显的环境、社会、经济效益，是不错的环境功能材料之一。3.23.2 催化型环境功能材料催化型环境功能材料催化材料在环境方面的应用，主要是加速其对环境污染物的降解。周建国等7通过对氧化铋和溴氧酸铋进行处理，制得了花球状异质结光催化材料。该催化材料具有很强的紫外光催化性能，能够用于在紫外光照射下高效降解有机废水。陈子玉等8以纳米中空介孔 SiO2为壳，制备了具有核壳结构的纳米介孔ZnOSiO2催化剂，用于染料废水的处理。在酸性条件下 SiO2壳层保护了 ZnO的活性，同时在 SiO2介孔结构中使染料和 ZnO 充分接触，起到良好的染料废水降解作用，但催化剂回收较困难。Chen 等9采用一步水热法制备了 ZnO-rGO(还原氧化石墨烯)复合物，并将其用于乙醛的光催化降解。结果显示当 rGO 含量为1.0和 3.0时，复合物的光催化活性较纯 ZnO 显著提高，rGO 的存在加速了乙醛的降解反应。催化材料的研究对环境治理来说是一个新的突破口，是比较有研究价值的。3.33.3 生物质型环境功能材料生物质型环境功能材料生物质环境材料主要是对生物质材料进行改性处理，常用生物质材料有木材、秸秆、粪便、坚果壳等，主要是将生物质在缺氧或无氧环境下，高温热裂解而得，表面产生羟基、羰基等官能团，增大其比表面积，提高其对环境污染物的吸附能力，研究比较多的是秸秆生物质材料。何流等10将水稻秸秆生物质炭、多羟基磷酸铁和负载壳聚糖的氨基羟基氧化铁经过搅拌系统进行混合，制得土壤修复剂，促进 Cd 和 Pb 向更稳定的状态转化，能够适应于土壤本身的性质，修复土壤污染效果好，成本低。荣嵘11将干燥秸秆碳化，并对得到的秸秆生物炭进行二硫化碳、硫酸锌混合改性处理，再使其负载铁絮体，最终得到的生物质基多孔炭负载铁絮体吸附材料对水中 Pb2+的去除效果显著，且原材料来源广泛，成本低廉。李娟等12研究发现通过添加适当比例的生物质材料(玉米秸秆和生物质炭)能够有效地调整黄绵土的团聚特性，可改善土壤结构，增加其稳定性,对土地开发及防止土地退化能够起到一定的积极效应。生物质环境材料在国内外的研究都比较多，但是依然没有成熟地运用到环境治理中，还有很多关键的问题需要突破，例如在治理环境问题时带来的新的污染等。3.43.4 新型环境功能材料新型环境功能材料新型环境功能材料指的是通过几种新型材料的复合，或者通过对传统的环境材料进行改性，对环境问题的修复与治理有较好的效果。例如新型陶瓷材料由于具有使用方便、体积小、重量轻和功耗低等优点，作为一种新型的污染控制材料，在航空领域的污染方面的研究及应用较多13；又如纳米材料，由于其强大的吸附能力及催化活性，在环境污染治理中的有较多的应用。Zhang 等14使用硼氢化钾还原法制备了纳米 Ag 修饰的石墨烯材料。在氙灯照射下，负载的纳米 Ag 可以直接引起细菌细胞膜的损伤，增加细胞的通透性，最终导致细胞的死亡，能够起到良好的杀菌作用。吕松等15以硅酸钠作粘结剂、焦炭作载体，采用浸渍烧结法研制出负载纳米 TiO2型光催化剂，并分别以太阳光和紫外灯光作为光源，催化氧化降解阳离子艳红染料废水。结果表明，负载纳米 TiO2型催化剂结合氧化剂使用，处理阳离子艳红染料废水效果很好。新型材料不管在环境方面还是其他各个领域，都得到了大家的青睐，若能找到更多的廉价的新型环境材料，那么环境问题就能得到更好的改善。4 4 未来发展未来发展环境功能材料替代传统的环境材料势在必行，但对它的研究还有很多技术方面的问题需要突破。找到一种或几种成本较低，性能较好且能集普通环境材料优点于一身的环境功能材料有着重要的意义，而这就需要研究人员从以下几个方面努力。一是加强新型环境功能材料的基础研究与应用研究，使其能有效地利用到环境治理与修复、人类经济可持续发展中，促进在生态环境优良的情况下，经济高效健康发展。二是通过对环境功能材料的研究，形成可行的国家统一的标准，运用到环境问题的各个方面。随着科技进步、经济发展和生活水平提高，市场需求向多样化、个性化的趋势发展，越来越多的功能性、环保性产品被推向市场。存在的问题是新产品的检测手段不直接，缺乏统一的评价标准和规范成为限制该材料发展的瓶颈，而制定好产品标准非常重要。目前国际通用的环境认证采用 ISO14000 体系认证，它是由环境管理体系(EMS)、环境行为评价(EPE)、生命周期评价(LCA)、环境管理(EM)、产品标准中的环境因素(EAPS)等 7 个部分组成16，侧重评价材料的环境负荷特性，该体系是保证整个生命周期产生最低的环境负荷的有效评价方法，但在评价产品的使用性和环境性上还存在不足。尤其对一些新型有益环境有益健康功能的微循环调控功能材料，ISO14000 没有直接的测试技术和标准。三是环境功能材料与普通环境材料有效结合的有效机制研究，使其能够广泛运用到生态环境的各个领域，有效改善目前存在的生态环境问题，促进人与自然和谐共生。5 5 结语结语作为材料科学与工程学科的一个重要分支，环境功能材料倡导绿色材料技术，提出材料产业界可持续发展的基本方向，在环境治理与修复等领域起到重要作用。环境功能材料前景广阔，将在 21 世纪快速发展。参考文献参考文献1 安 会 芬.环 境 材 料 的 用 途 及 发 展 趋 势 J.铸 造 技 术,2005,026(007):645-647.2罗飞,何庆文,李干蓉,等.环境功能材料的研究进展及应用J.信息记录材料,2019,20(10):24-25.3张付申,王磊,夏冬,等.废弃高分子聚合物再生转化环境功能材料的研究进展J.环境工程学报,2017(1):12-20.4白志民,杨静,丁浩.硅酸盐固体废弃物的应用研究进展粉煤灰应用研究新成果C.硅酸盐学报创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集.2007.5薛向欣,张淑会,段培宁.工业固体废弃物作为合成 Si 基陶瓷原料的开发与利用J.硅酸盐通报,2005(02):72-75.6孙可伟,李如燕,孙可伟.废弃物复合成材技术M.化学工业出版社,2006.7周建国,魏猛猛,李莉,等.原位转化法合成花球状 Bi2O2CO3/BiPO4 异质结光催化材料的方法P.河南：CN107185569A,2017-09-22.8陈子玉,刘琳,李翰林,等 纳米介孔 ZnOSiO2核壳结构催化剂的制备及其耐酸性能J.人工晶体学报2018,47(7):13781381.9CHEN Y C,KATSUMATA K I,CHIU Y H,et al.ZnO-graphene composites aspractical photocatalysts for gaseous acetaldehyde degradation andel