纳米技术是指在0.1～100nm尺度范围内，研究电子、原子和分子的内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。

纳米尺度的物质颗粒接近原子大小，此时量子效应开始影响到物质的性能和结构。

由纳米级结构单元构成的纳米材料，在机械性能、磁、光、电、热等性能方面与普通材料有很大不同，具有辐射、吸收、催化、吸附等新特性。

纳米技术在21世纪将改变几乎每一件人造物体的特性，材料性能的重大改善和制造模式的改变，将引发一场工业革命。

不难设想，纳米技术在未来的绿色革命中将大显身手，为矿山废弃物处理、矿山复垦等带来新的希望，给矿山环境保护带来突破性的变化。

随着现代工业的迅猛发展，环境污染问题日趋严重，特别是矿山等重工业所产生的氮氧化物(NOx)、硫的氧化物(SOx)等有害气体对大气的污染，已成为世界各国亟待解决的环保问题。

各国政府都将大气污染治理列为头等大事，纷纷投入巨资用于环境净化材料及环境治理技术等方面的研究和开发。而纳米技术的应用将为解决大气污染问题提供全新的途径。

1.石油及煤的脱硫处理

工业、能源生产和汽车使用的汽油、柴油等，在燃烧时会产生SO₂气体，这是SO₂的污染源之一。

纳米钛酸钴(CoTiO₃)是一种非常好的石油脱硫催化剂，以55～70nm钛酸钴作为催化活体、多孔硅胶或Al₂O₃陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高。

经它催化的石油中硫的含量小于0.01%,达到国际标准。

煤燃烧会产生SO₂气体，如果在燃烧的同时加入纳米级助烧催化剂，不仅可以使煤充分燃烧，而且会使硫转化成固体的硫化物，而不产生SO₂气体。

2.汽车尾气净化处理

在城市和矿山大量运用汽车的今天，尾气污染成为严重困扰人类的问题之一。

最新研究成果表明(2-3),复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的，它的应用可以彻底解决汽车尾气中CO和NO₂的污染问题。

以活性碳作为载体、纳米Zro.5Ceo.sO2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其表面存在Zr⁴+/Zr³+及Ce⁴+/Ce³+,电子可以在其3价和4价离子之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性。

再加上纳米材料比表面积大、空间悬键多、吸附能力强、具有极强的电子得失能力和氧化还原性，因此它在氧化CO的同时还原NO,使它们转化为对人体和环境无害的气体CO₂和N₂。

而更新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用，使汽油在燃烧时就不产生CO和NO,,无需进行尾气净化处理。

3.有机污染物处理

调查表明，矿山等重工业区空气中的有机物浓度远高于国家标准，不利于广大职工的身体健康，目前已从空气中鉴定出几百种有机物质，其中有些是致癌物，导致了多种癌症的多发，形成了特定癌症的高发区。

研究表明(11-12),光催化剂可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物，其中纳米TiO₂的降解效果最好，几乎达到100%。

纳米TiO₂光催化剂也可用于石油、化工等工业废气的处理，改善厂区周围空气质量。

另外，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。

美国得克萨斯大学研究人员利用纳米TiO₂和太阳光进行灭菌，他们将大肠杆菌和TiO₂混合液在大于380nm的光线下照射，发现大肠杆菌以一级反应动力方程被迅速杀死。

东京大学的藤岛昭教授等人用实验证明，纳米TiO₂具有分解病原菌和毒素的作用。在玻璃上涂一薄层TiO₂,光照射3h,达到了杀死大肠杆菌的效果，毒素的含量控制在5%以下。

而一般抗菌剂只有杀菌作用，但不能分解毒素。经实验证明，纳米TiO₂(锐钛矿型)对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、芽杆菌和曲霉等具有很强的杀伤能力。

4.氟里昂的催化降解处理

矿山企业广泛使用的制冷剂——氟里昂(CFCs)会破坏臭氧层，造成臭氧层空洞，导致全球气候变暖等一系列环境问题，严重干扰全球生态平衡。

因此，对于氟里昂光降解的研究具有重要意义，已成为近年来较为活跃的一个领域。

我国每年矿山产生的废水、废液的处理率仅为4.23%,大量未经处理的废水排放入江河湖海，污染严重。

污水中通常含有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等，特别是有机化合物如芳香族胺基化合物、氯系溶剂(二氯乙烯、三氯乙烯等)、苯系溶剂以及醛酮等，这些污染水体的有机物质对人体的毒害很大。

而传统的水处理方法效率低、成本高，存在二次污染等问题，纳米材料与技术的发展和应用，有可能彻底解决这一难题。

1.有机污染物废水的处理

（1）表面活性剂。在矿物选别作业中，我们经常使用表面活化剂、表面改性剂等高分子添加剂，其残留物很难处理。

目前广泛使用的合成表面活性剂通常包括不同的碳链结构。随结构的不同，光催化降解性能往往有很大的差异。

赵进才等报道了壬基聚氧乙烯苯(NPE-n)分解过程中的中间生成物的测定，并探讨了催化反应机理。

Hidaka等对表面活性剂的降解作了系统的研究，实验结果表明，含芳环的表面活性剂比仅含烷基或烷氧基的更易断链降解而实现无机化，直链部分降解速度极慢。

Pelizzetti对乙氧基烷基苯酚氧化的研究也表明，大部分羟基自由基进攻芳环，少部分氧化乙氧基，而烷基链的氧化可不考虑。

现有研究表明，有的体系已达反应过程碳的物料平衡。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CO₂，但随着表面活性剂苯环部分的破坏，表面活性及毒性大为降低，生成的长链烷烃副产物对环境的危害明显减小。

目前国内外公认，将此法用于废水中表面活性剂的处理具有很大的吸引力。

（2）氯代物

矿山企业易产生的有机氯化物是水中最主要的一类污染物，毒性大、分布广，其治理是水污染处理的重要课题。

目前关于这方面的研究已有许多报道，对于氯仿、四氯化碳、4-氯苯酚等物质的光催化降解机理都已有详细的讨论。

（3）含油废水

随石油工业的发展，每年有大量的石油流入海洋，对水体及海岸环境造成严重污染。对于这种不溶于水且漂浮于水面上的油类及有机污染物的处理，也是近年来人们很关注的一个课题。Berry等报道用环氧树脂将TiO2粉末粘附于木屑上。

方佑龄等用硅偶联剂将纳米TiO₂偶联在硅铝空心微球上，制备了漂浮于水面上的TiO₂光催化剂，并以辛烷为代表，研究了水面油膜污染物的光催化分解，取得满意效果。

另外，他们还以浸涂一热处理的方法在空心玻璃球载体上制备了漂浮型TiO₂薄膜光催化剂,能按要求控制TiO₂的负载量和晶型，是一种能降解水体表面漂浮油类及有机污染物的高效光催化剂。

Heller等用直径100μm中空玻璃球担载TiO₂,制成能漂浮于水面上的TiO₂光催化剂，用于解决水面石油的污染，并进行了中等规模的室外应用实验，此工作已得到了美国政府的高度重视和支持。

2.无机污染物废水的处理

Miyaka等进行了用悬浮TiO₂粉末，经光照将Cr₂O7-还原为Cr³+的工作。Yoneyama等(4)利用多种光催化剂对Cr₂O7-光催化还原反应作了研究。

戴遐明等研究了不同反应条件下ZnO/TiO₂超细粉末对水溶液中六价铬的还原作用的影响，并探讨了此法在工艺上的可行性。

对于含氰废水的处理也是研究得较多的一个内容。Frank等研究了以TiO₂等为光催化剂将CN-氧化为OCN,再进一步反应生成CO₂、N₂和NO₃的过程。

Sepone等报道了用TiO₂光催化法从Au(CN)中还原Au,同时氧化CN-为NH₃和CO₂的过程，并指出将该法用于电镀工业废水的处理，不仅能还原镀液中的贵金属，而且还能消除镀液中氰化物对环境的污染。

是一种有实用价值的处理方法。Hidaka等(51)研究了氰化物及含氰工业废水通过中间产物OCN-生成CO₂和N₂的光催化。

3.给水净化

资料报道，一种新型的纳米级净水剂，其吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10～20倍。

它能将污水中悬浮物吸附并沉淀下来，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置，有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味污染物。

经前述二道净化工序后，水体清澈，没有异味。

再经过具有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，水中的细菌、病毒100%被去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用，因而可以改变矿山地区饮用水困难的局面，改善当地居民的生活状况。

资料表明，我国各类尾矿累计约25亿t，并以每年3亿t的速度增加，不仅占用大量土地，而且对土壤和水资源造成严重的污染。

而矿山地区所产生的大量的废弃物和生活垃圾也严重地污染环境。纳米技术及材料应用于固体废物处理，主要表现在两个方面：

①可以将废弃橡胶制品、塑料制品、废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。

在日本将废橡胶轮胎制成粉末用于铺设运动场、道路以及新干线的路基等。

②可以应用纳米TiO₂加速固体废物的降解，其降解速度是大颗粒TiO₂的10倍以上，从而可以缓解大量垃圾给环境带来的压力，也可以减轻填埋等传统方式所带来的二次污染。

能源的利用与环境密切相关，使用能源的种类与方式决定了我们对环境的影响，也决定了工矿企业的成本与未来。

1.节能方面

纳米技术是从原子和分子开始制造材料和产品的技术。这种从小到大的制造方式需要的材料较少，造成污染程度低。

在我国已有微马达、微传感的纳米微电机系统元件问世。由于纳米技术导致产品微型化，使用所需资源减少，不仅可以达到“低消耗，高效益”的可持续发展的目的，而且成本低廉。

可以预测，未来资源浪费、造价昂贵的大型机械设备会逐步被淘汰，以实现资源消耗的“零增长”。

2.蓄能方面

物理和化学方法蓄氢需昂贵的设备，而碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。这种材料用作燃料汽车中的储氢材料，可以有效地避免空气污染或排放温室气体。

碳纳米管和纳米纤维在室温下能很好的吸收氢，每个颗粒都是一个微小的吸氢“海绵”。

这种材料具有很广阔的应用前景，可以用来制造燃料电池汽车中的储氢容器，添加燃料时只需将氢注入容器就可以。

美国再生能源实验室的赫宾斯是该领域的带头人，他认为主要与碳纳米材料的表面结构有关。麻省理工学院的德雷斯尔豪斯及其同事所从事的研究支持这一观点。

美国能源部的计算表明，碳材料只要储氢达到其自重的6.5%就可以使燃料电池汽车具有实用价值。

我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性，力争使纳米碳管材料和器件实用化。

3.能量转换方面

由于存在物质的“量子尺寸效应”,当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常低于1%,大于几微米的厚度就能完全消光。

利用这一特殊的光学性质，就可以制造高效率的光热、光电转换材料，可以高效地将光能转变为热能或电能。

从某种意义上来说，纳米技术的出现极可能改变能源消费与环境保护之间长期存在的矛盾。

4.噪声控制

经检测，矿业设备工作的噪音可达上百分贝，特别是大型破碎机、磨矿机等重型设备发出的噪音更是惊人，容易对人造成危害。

当机器设备被纳米技术微型化以后，其相互撞击、摩擦产生的交变机械作用力将大为减小，噪声污染便可以得到有效的控制。

运用纳米技术开发的润滑剂，即能在物体表面形成永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，得以大大降低机器设备运转时的噪声，延长它的使用寿命。

另外，在强磁性纳米粒子外包裹一层长链的表面活性剂，使其稳定地分散在基液中形成胶体，即得磁流体。这种磁流体可以用于旋转轴的密封。

这种轴密封的优点是完全密封、无泄漏、无磨损、不发热、轴承寿命长、不污染环境、构造简单等，主要用于防尘密封和真空密封等高精设备及宇航等领域。

研究表明，纳米粒子的抗摩减摩作用主要是通过以下三条途径实现：

①类似“微轴承”作用，减少摩擦阻力，降低摩擦系数；②在摩擦条件下，纳米微粒在摩擦副表面形成一个光滑保护层；③填充摩擦副表面的微坑和损伤部位，起修复作用。

也有人认为，纳米微粒添加剂的作用机理不同于传统添加剂，与其本身所具有的纳米效应有关。

在摩擦过程中，因摩擦表面局部温度升高，尤其在高负荷下，纳米微粒特别像n-TiO₂这类微粒极可能处于熔化、半熔化或烧结状态，从而形成一层纳米膜。

另外纳米微粒具有极高的扩散力和自扩散能力(比体相材料高十几个数量级),容易在金属表面形成具有极佳抗摩擦性能的渗透层或扩散层。表现出“原位摩擦化学处理”。

这种机理认为，纳米添加剂，尤其在高负荷条件下它们的润滑作用不取决于添加剂中的元素是否对于基体具有化学活性，而很大程度上取决于它们是否与基体组分形成扩散层或渗透层和固溶体。

纳米添加剂解决了润滑油和燃油添加剂分子设计上长期依赖S、P、Cl等活性元素的状况，为解决S、P、Cl对基体金属造成的腐蚀和带来的环境问题展示了美好的前景。

5.环境监测

资料介绍，斯坦福大学的研究人员发现碳纳米管可以用于探测有毒的NO,和NH₃(可导致酸雨和温室效应)。

现在监测技术成本较高、不便移动作业、所需温度高，而利用纳米技术研制的探测仪器是由两端连接金属导线的纳米碳管组成。

该探测仪可以在室温下监测NO₁和NH₃的浓度，造价低、体积小(只有3μm)。

对于该研究，弗吉尼亚海洋研究所的艾丽斯·安德森和美国环保局的威廉姆·里纳克都认为该技术对NO₁、NH₃等气体监测很有价值。

例如，测量燃煤工厂中这两种气体的浓度可监测除污系统的有效性，可以随时预警高污染作业的污染程度，保护工人的身体健康。

结束语

尽管纳米技术的研究取得了很大的进展，但仍有许多问题有待进一步探索和解决，如纳米材料的微观结构还需深入细致的研究和确认，纳米材料制备过程中的结构控制及其性能稳定性等方面还有许多工作要做。

特别是运用于矿山环境保护的产品，所需的大型化、规模化、易用性、成本低、易管理、易操作等方面还需进一步研究。

但是可以相信，纳米技术作为一门新兴科学，必将对环境保护产生深远的影响。

利用纳米技术解决污染问题，是保护我们赖以生存的自然环境，改变矿山企业高污染、重破坏的面貌，实现可持续发展的必然趋势。