材料科學(xué)概論結(jié)課論文院系：化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院班級：環(huán)境工程11102班材料科學(xué)與環(huán)境工程相結(jié)合近期的發(fā)展材料是人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，材料科學(xué)的發(fā)展水平在一定程度上代表了一個國家工業(yè)水平的高低，目前很多高新技術(shù)的瓶頸歸根結(jié)底都是要解決材料問題。但是，材料科學(xué)在其發(fā)展的歷史上，也是造成資源、能源過度消耗，自然生態(tài)環(huán)境不斷惡化的主要元兇之一。環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞已經(jīng)嚴(yán)重地制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這其中與材料有關(guān)的環(huán)境污染占到了一半以上。因此，材料產(chǎn)業(yè)只有走與資源、能源和環(huán)境相協(xié)調(diào)的道路才是可持續(xù)發(fā)展的。也正是在這樣一個背景下，必須要環(huán)境工程與材料科學(xué)相結(jié)合進(jìn)行發(fā)展。環(huán)境問題是當(dāng)今社會發(fā)展所面臨的三大類主要問題之一，人們在創(chuàng)造空前巨大的物質(zhì)財富和前所未有的社會文明的同時，也在不斷破壞其賴以生存的環(huán)境。從資源、能源和環(huán)境的角度考慮，材料的提取、制備、生產(chǎn)、使用和廢棄的過程，實際上是一個資源和能源消耗及環(huán)境污染的過程。材料一方面推動著人類社會的物質(zhì)文明，一方面又大量消耗資源和能源，并在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中排放大量的污染物，危害和惡化人類賴以生存的空間。材料產(chǎn)業(yè)一方面成為環(huán)境污染的主要來源之一，另一方面環(huán)境的凈化與修復(fù)在很大程度上都依賴于更高性能材料的開發(fā)。用于防止、治理或修復(fù)環(huán)境污染的材料稱為環(huán)境工程材料。環(huán)境工程材料包括環(huán)境凈化材料、環(huán)境修復(fù)材料以及環(huán)境替代材料。治理大氣污染的吸附、吸收和催化轉(zhuǎn)化材料，治理水污染的過濾、吸附、氧化還原材料，減少有害固態(tài)廢棄物污染的固體隔離材料，噪聲控制材料、電磁防護(hù)材料等，都屬于環(huán)境凈化材料；另外還包括過濾、分離、殺菌、消毒材料等。防止土壤沙漠化的固沙植被材料屬于環(huán)境修復(fù)材料。從材料的全生命周期進(jìn)行考慮，環(huán)境替代材料可以被劃歸在環(huán)境協(xié)調(diào)性材料里面。1環(huán)境凈化材料1.1水污染控制材料常用的廢水處理方法可分為以下3類：①分離處理，即通過各種外力的作用使污染物從廢水中分離出來，通常在分離過程中并不改變污染物的化學(xué)性質(zhì)；②轉(zhuǎn)化處理，即通過化學(xué)或生化的作用，改變污染物的化學(xué)性質(zhì)，使其轉(zhuǎn)化為無害物或可分離的物質(zhì)，再經(jīng)分離處理予以除去；③稀釋處理，即將廢水進(jìn)行稀釋混合，降低污染物的濃度，減少危害。針對不同的水處理方法，開發(fā)了不同用途的環(huán)境工程材料。目前，用于廢水分離工藝的主要包括用于過濾、吸附的濾料、吸附劑、膜分離材料等；用于廢水生化處理的主要有用于固定微生物的金屬或陶瓷載體;用于廢水化學(xué)處理的主要有高效率并且不產(chǎn)生二次污染的各種催化劑，如二氧化鈦光催化劑等。利用吸附劑的物理吸附、離子交換、絡(luò)合等特點，能夠去除水中的各種金屬離子，主要用于處理含重金屬元素的廢水。天然粘土能吸收重金屬、多環(huán)芳烴、碳?xì)浠衔锖捅椒拥?，可用于石油化工廠的污水凈化。此外，物理吸附還能夠吸附水中的顆粒物以及部分有機(jī)污染物。吸附劑的開發(fā)主要考慮其吸附效率、選擇性、成本等性能。天然沸石由于來源廣泛、處理效果好、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點，目前已逐漸替代傳統(tǒng)的活性炭吸附劑成為主要的水處理吸附劑。目前對于天然沸石的研究主要集中在通過物理化學(xué)方法對材料的表面性質(zhì)進(jìn)行改性，制備介孔復(fù)合體材料，降低其制備成本以及進(jìn)一步提高吸附效率。文獻(xiàn)利用天然沸石作為基體，在分子尺度范圍內(nèi)可控地破壞孔洞結(jié)構(gòu)，進(jìn)行造孔，制得了一種新型介孔復(fù)合吸附材料。近年來有很多關(guān)于改性多聚糖吸附劑的研究，文獻(xiàn)中報了由淀粉、糊精、殼素等天然生物質(zhì)中提取多聚糖，制備交聯(lián)多聚糖吸附劑的研究。實驗證明，這種多糖吸附劑具有非常優(yōu)秀的去除水體中污染物的能力，與傳統(tǒng)的吸附劑相比更具競爭實力。沉淀分離方法也是水處理中經(jīng)常使用的分離工藝。治理水污染的沉淀分離工藝過程用材料，包括用于絮凝沉淀的絮凝劑和化學(xué)沉淀的沉淀劑2種。高鐵酸鹽絮凝劑是水處理中已廣泛使用的絮凝劑，能夠有效降解有機(jī)物，去除懸浮顆粒及凝膠，其瓶頸在于產(chǎn)率比較低，前處理工藝對其治理效果有一定的影響。因此，研究主要集中在改善制備工藝、提高產(chǎn)率以及產(chǎn)物的穩(wěn)定性、尋找替代次氯酸鹽以及氯化物的氧化劑等方面。市政生活污水通常采用生化處理工藝。固定化微生物技術(shù)是使用化學(xué)或物理的方法將游離這種水處理方法具有生物濃度易控制、耐毒害能力強(qiáng)、菌種流失少、產(chǎn)物易分離、運(yùn)行設(shè)備小型化等特點，但是固定化材料性能的不足限制了其應(yīng)用。使用高嶺土、長石、石灰石、石英等制備了符合要求的固定化微生物的多孔陶瓷，根據(jù)實驗確定了最佳的制備參數(shù)，達(dá)到了較好的水處理效果。氧化還原屬于一種污水化學(xué)轉(zhuǎn)換處理工藝。用于氧化還原處理的材料主要是各種化學(xué)試劑，包括氧化劑、還原劑以及催化劑等。常用的氧化還原材料有活潑非金屬材料和含氧酸鹽；常用的還原材料有活潑金屬原子或離子；常用的催化劑有活性炭、粘土、金屬氧化物及高能射線等。1.2大氣污染控制材料目前，治理大氣污染通常使用吸附法、吸收法和催化轉(zhuǎn)化法。從材料科學(xué)與工程的角度看，無論是吸附法、吸收法還是催化轉(zhuǎn)化法，都要借助于一定的材料介質(zhì)才能實現(xiàn)。相應(yīng)的大氣污染控制材料包括吸附劑、吸收劑和催化劑，主要應(yīng)用于工廠、住宅區(qū)鍋爐等固定源與機(jī)動車等活動源排放的氣體污染物的凈化。稀土汽車尾氣凈化催化劑是近年來發(fā)展起來的一類重要的環(huán)境工程材料，它能夠在一定條件下催化大氣中的有害氣體成分，如NOx、CO、CH等轉(zhuǎn)化為N2和CO2。汽車尾氣的凈化催化劑通常采用鉑、鈀、銠等貴金屬作為主要的活性組分。近年來，為了節(jié)約貴金屬資源，開始研究利用過渡金屬、稀土元素部分替代或全部替代貴金屬，進(jìn)行汽車尾氣凈化處理，取得了很好的效果。目前，這方面的研究熱點主要集中在減少貴金屬用量、提高催化效率以及催化劑穩(wěn)定性等方面。吳曉東等對鈣鈦礦型催化劑La0.7Sr0.3MnO3+久的催化活性進(jìn)行了廣泛而深入的研究，結(jié)果表明，這類催化劑對于汽車尾氣具有很高的催化活性。盡管浸漬貴金屬的催化劑有著優(yōu)異的催化活性，但摻雜稀土的鈣鈦礦型復(fù)合氧化物催化劑已經(jīng)達(dá)到了部分取代貴金屬的效果。作為稀土催化劑載體的多孔蜂窩陶瓷近年來也成為研究的熱點。蜂窩陶瓷具有熱穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，通常還在堇青石基質(zhì)材料的表面附上較高比表面的多孔物質(zhì)，使活性成分容易且牢固地負(fù)載在載體表面，提供一個良好的催化反應(yīng)環(huán)境。一般的涂層材料為活性氧化鋁，KummerJ也曾使用氧化鋯作為涂層，提高了載體的耐高溫性。二氧化鈦光催化劑的研究近年來成為材料科學(xué)研究的熱點之一，由于其化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒、價廉以及光催化活性高而引起了廣泛的重視。離子注入Sn及納米鑲嵌Au和Ag都獲得了較好的實驗結(jié)果。由于TiO2光催化劑在空氣凈化、殺菌、消毒、防霧、防塵等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此，國內(nèi)外在應(yīng)用開發(fā)方面都投入了大量的人力物力。近年來，TiO2光催化劑的多種類型的產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)，如自清潔玻璃、衛(wèi)生潔具等。根據(jù)王君等的研究，超聲波對二氧化鈦光觸媒可起到催化作用，從而促使二氧化鈦激發(fā)液體成分發(fā)生變化，釋放出殺菌成分。將大腸桿菌加入納米二氧化鈦水溶液，經(jīng)超聲波作用75min，殺滅率可達(dá)到100%。室內(nèi)環(huán)境污染也是大氣污染的一種，污染源主要是外界大氣、房基或家居中的化工涂料、染料等。近年來利用TiO2光催化劑將空氣中的有機(jī)物分解為CO2、H2O和相應(yīng)無機(jī)酸，日益成為國內(nèi)外研究的熱點。TiO2不僅能夠催化醇醛酸、氮氧化合物、硫氧化合物、鹵代物等物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，還具有除菌的作用，是性能優(yōu)良的室內(nèi)空氣凈化催化劑。將TiO2涂覆在衛(wèi)生陶瓷和玻璃表面，在室內(nèi)熒光燈的照射下1h內(nèi)可殺死99%附著于其上的大腸桿菌綠膿桿菌等。載人航天器座艙內(nèi)的空氣凈化主要采用生物空氣過濾器BAF(BiologicalAirFilter)，。最初，這種過濾器主要采用的基質(zhì)是土壤，后來用一些質(zhì)量更輕、孔隙度和比面積更大的天然有機(jī)物質(zhì)如堆肥、樹皮、泥炭等。這種生物空氣過濾器比起物理/化學(xué)的方法如化學(xué)清洗、吸附和催化轉(zhuǎn)化等的費(fèi)用要廉價得多，但是只適用于低濃度污染物的室內(nèi)空氣凈化。沸石和活性炭纖維良好的吸附性能也可以應(yīng)用于處理廢氣和凈化空氣。例如，沸石對于大氣中的碳?xì)浠衔?、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氫等具有良好的吸附、凈化功能，可用于汽車尾氣凈化劑。美國?lián)合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2，體積數(shù)由3500!l/L下降至15~25!l/L，回收率達(dá)98%~99%；美國諾頓公司用沸石分子篩處理硝酸廠尾氣中的NOx體積分?jǐn)?shù)由2500!l/L下降到10!l/L；我國杭州大學(xué)催化劑研究室將絲光沸石改型后載上微量貴金屬和某些過渡性金屬氧化物，制備出處理有機(jī)廢氣的高活性NZP系列有機(jī)廢氣催化劑，使有害氣體凈化率達(dá)到了95%以上。在二氧化硫煙氣凈化方面，開發(fā)出了離子交換樹脂吸附型凈化材料以及利用稀土氧化物材料作為催化劑的干法脫硫。離子交換樹脂是以丙烯、苯乙烯為原料，經(jīng)交聯(lián)懸浮共聚，制成多孔柱狀樹脂，再經(jīng)碳化處理而得到的。稀土氧化物CeO2是非常有應(yīng)用前景的新型吸收劑，能夠在很寬的范圍內(nèi)與SO2反應(yīng)，而且在適當(dāng)?shù)臈l件下可再生，可以使吸收劑產(chǎn)生的廢氣轉(zhuǎn)化為硫。作為潛在的吸收劑CeO2可以同時脫去煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，其脫氮和脫硫效率都大于90%，但目前此類研究正處于實驗室階段。2環(huán)境修復(fù)材料環(huán)境修復(fù)指對已破壞的環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化治理，恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境。常見的環(huán)境修復(fù)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層修復(fù)材料等。不同國家對生物修復(fù)方面的研究有不同的側(cè)重，歐洲國家注重對傳統(tǒng)的產(chǎn)生污染的工藝以及廢物的處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到緩解或消除環(huán)境污染的目的；美國則側(cè)重于對不同污染地的土壤和水體的整治和修復(fù)，尤其是外源有機(jī)污染物的治理；日本將其重點放在解決全球性的環(huán)境修復(fù)上，體現(xiàn)在以生物制氫為動力的研究和利用微生物對大氣中二氧化碳進(jìn)行固定，以減輕和消除工業(yè)造成的溫室效應(yīng)問題。我國研究的最主要的環(huán)境修復(fù)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實現(xiàn)社會和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個重要問題。研制、開發(fā)新型固沙植被材料，保持水土、減緩沙漠化是生態(tài)環(huán)境材料工作者義不容辭的責(zé)任。目前的固沙植被材料主要有兩大類：一類是高吸水性樹脂，另一類是高分子乳液。目前，這些材料主要用于沙漠與荒漠化地區(qū)交通干線沿線的護(hù)路以及荒坡固定等。技術(shù)已經(jīng)成型的固沙劑具有固結(jié)速度快、強(qiáng)度高、無毒害、易于操作等優(yōu)點，但通常成本較高。目前，我國沙漠化及荒漠化面積已達(dá)國土面積的1/6,隨著中央作出西部大開發(fā)的決定，怎樣有效地保護(hù)西部相對脆弱的環(huán)境就擺在了廣大科學(xué)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。蘭州化物所研制出的系列固沙劑具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低、易制成水溶液、可以噴灑等優(yōu)點。在塔克拉瑪干沙漠、塔里木盆地的現(xiàn)場實驗表明，使用劑量為0.2g/m2時，固沙厚度可達(dá)5?8mm。蘭州大學(xué)從20世紀(jì)80年代開始就在防治荒漠化和干旱生態(tài)農(nóng)業(yè)方面投入了很大的力量，其化學(xué)化工學(xué)院目前已完成淀粉接枝、天然纖維接枝高分子材料和丙烯酸性高分子材料2個系列的高吸水性樹脂的研究工作，樹脂改性后用于中衛(wèi)沙坡頭治沙，效果優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。他們還研制出了可用于沙塵固定和綠化工程的高分子乳液，這項技術(shù)是把增粘劑、養(yǎng)生劑、高分子乳液與草籽、肥料、水混合在一起形成乳液，用壓縮空氣噴灑在沙地表面，可臨時固定沙塵，待種子發(fā)芽生根后對沙塵起到永久性固定作用，達(dá)到綠化沙漠的目的。2.2其他環(huán)境修復(fù)材料全球氣候變暖、溫室效應(yīng)加強(qiáng)，是各國政府目前密切關(guān)注的環(huán)境問題之一。如采取積極的措施，將CO2轉(zhuǎn)化為其他有用的材料，是控制CO2排放、治理氣候變暖的一個重要途徑。日本研制的用于保護(hù)臭氧層的轉(zhuǎn)化氟利昂的新型催化劑，以及用CO2作原料來生產(chǎn)甲醇的技術(shù)是2個典型的例子。前者可大大降低臭氧層的破壞程度，使人們免遭紫外線照射之苦而后者則可有效地降低CO2所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)。它們都可改善人類居住的環(huán)境，同時還可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。3結(jié)束語環(huán)境材料是人類保護(hù)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展道路的意識在材料科學(xué)中的具體體現(xiàn)和實踐，因此無論是在理論研究，還是設(shè)計、應(yīng)用與開發(fā)方面，環(huán)境材料都將隨著人們對生態(tài)環(huán)境的日益重視而取得更大的進(jìn)展。環(huán)境工程材料仍然是未來環(huán)境材料領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容，目前對于污水處理材料的研究已經(jīng)趨于成熟，未來的研究方向?qū)⒚闇?zhǔn)新型高效、無二次污染、低治理成本的替代材料。對于大氣污染，用于治理機(jī)動車等移動源排放的污染氣體的催化劑已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，今后的研究將主要集中在減少催化劑中貴金屬的用量，提高催化劑的催化效率及壽命，以及抗硫中毒等性能的提高方面。其他的污染防治材料，如治理噪聲污染、光污染、電磁輻射等污染的材料，也將隨著污染問題的凸顯而加快其發(fā)展的步伐。隨著全球性生態(tài)環(huán)境的惡化，環(huán)境修復(fù)材料在未來將遇到更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。溫室效應(yīng)、臭氧層空洞、POPs污染等重大環(huán)境問題，無一不是依靠材料科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步才能夠解