纳米铁的应用价值研究
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作者: 詹竞舟
【摘要】 纳米铁由于其优异的性能在废水处理、医疗卫生、军事科技等领域发挥着重要的作用,所以,纳米铁的制备备受人们的关注。其中,用电沉积法制备纳米铁是一种操作简单、控制容易且生产效率高的方法,其优势超过了物理法、化学法等其他制备方法。
【关键词】 电沉积 纳米铁 磁场 添加剂 晶粒度
进入二十一世纪,纳米技术发展迅速,成为科技领域中的热门前沿学科,倍受各国政府和科技工作者的重视。纳米材料的颗粒尺寸在1-100nm之间,具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应,呈现出独特的宏观物理、化学特性――如高比热容、低熔点、高强度、高韧性、高塑性、高热膨胀系数等,使其在未来的日常生活和高技术领域有广泛的应用前景。纳米铁的力学性能和电学性能可以使它成为高强、超硬、高韧性、超塑性材料以及绝缘材料、电极材料和超导材料等;它的热学性能使它成为低温烧结材料、热交换材料和耐热材料等;它的磁学性能可用于永磁、磁流体、磁记录材料等;它的光学性能又可以用于光反射、光存储、光开关、红外传感器等;它的燃料性能又可用于火箭燃料添加剂、阻燃剂等。纳米材料的性能分析、研制及应用等方面的研究将推动纳米材料科学的发展。
纳米材料是指在显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料,分为三种形态――纳米微粒、纳米固体和纳米结构组装体系。所以,我们根据纳米铁的这三种形态对其应用进行分别阐述。
一、纳米铁微粒
1.纳米铁处理废水。纳米零价铁对含铬废水、染料废水、含多氯有机物废水有较好的处理效果。其对废水的处理主要是微电解作用、混凝作用、还原作用、吸附作用等综合效应的结果。
随着有机化学工业的发展,有机氯化物在医药、制革、电子和农药等方面得到广泛应用,导致大量含氯的化合物及合成过程中的中间产物或副产品被大量的排放入环境中。环境中的某些有机氯化物会消耗大气层中的臭氧,有些会危害人的中枢神经系统,诱发癌症。研究者利用粒径为10-20nm的铁颗粒处理水中的有害杂质,证明纳米铁能快速降低水中的四氯化碳(CT)和三氯甲烷(CF),其有效率是普通铁的2-8倍;在雨水、河流湖泊中经常可以检测到施加在农田里的除莠剂等有机物,这些被污染的水一旦成为饮用水,就有制癌的可能。
2.医疗。中南大学生物医学工程研究所利用梭基法置备了平均粒径为100nm的纳米铁,通过脉冲中子反应堆辐照纳米铁得到顺磁纳米铁核素,这种铁核素具有超顺磁性、放射性活度和较好的磁导向功能,可有效定位于靶区,能高效地、定点定向地送到发病的器官和组织中;德国研究者正在研究用纳米铁治疗癌症,通过施加外磁场,使引入肿瘤中的纳米粒子发高热,使得一些癌细胞死亡并液化。
3.吸波材料。利用纳米材料比表面积大,表面原子比例高,悬挂键增多,从而具有界面极化和多重散射的特性,能够成为很好的吸波材料。以环氧树脂为基体,以纳米铁颗粒为吸收剂,合成具有良好吸波功能的结构吸波材料,可以减少家用电器杂散的电磁波对人体健康造成的危害;在军事方面,纳米铁能利用其特性,吸收衰减入射的电磁波,并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失,使的装备物难以被发现、识别、跟踪和攻击。
二、纳米铁固体
在国内,国家在建设节约型社会中强调了发展循环经济的重要性。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》明确提出,要把节约资源作为基本国策,发展循环经济,保护生态环境,加快建设资源节约型、环境友好型社会。开展资源综合利用,是实施节约资源基本国策,转变经济增长方式,发展循环经济,建设资源节约型和环境友好型社会的重要途径和紧迫任务。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》、2005年6月27日颁发的《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》(国发【2005】21号)和《国务院关于加快发展循环经济的若干意见》(国发【2005】22号),国家把“绿色再制造技术”列为“国家科技计划继续加大对节约资源和循环经济关键技术的攻关力度,组织开发和示范有重大推广意义”的技术之一,并且强调国家将大力“支持废旧机电产品再制造”,并把“绿色再制造技术”列为“国务院有关部门和地方各级人民政府有关部门要加大科技投入,支持循环经济共性和关键技术研究开发”的项目之一。
据统计,造成环境污染的70%以上的排放物来自制造业。为尽可能减少大量废旧产品对环境的危害、最大限度地利用废旧产品的附加值,再制造工程在国际上应运而生。通过发展再制造工程理论和技术,可以延长产品的使用寿命、提升产品性能、节约能源、保护环境,完全符合国家可持续发展战略。纳米表面工程作为再制造工程的关键技术,对再制造工程的推广应用具有重要的作用,它不但可以恢复零件表面尺寸,还可以显著提高表面性能,达到再制造工程所要求的恢复或升级性能的目的。
对现有工业废旧产品的调查分析发现,目前存在的机械损伤主要源于磨损、划伤、疲劳损坏、碰伤、润滑不良等原因。铁作为廉价的金属,在地壳中储量丰富,镀铁技术是二种机械零部件的修复方法,由于具有沉积速度快、电流效率高、工艺简单、生产成本低、基本无污染等特点,已成功地用于交通运输、矿山设备、机械制造等行业的机械磨损件或加工超差件的修复,并取得了良好的经济效益和社会效益,对其纳米化可以在再制造工程中发挥更为巨大的作用且取得良好的经济效益。
三、纳米铁结构组装体系
多孔阳极氧化铝模板的纳米孔洞中组装一些磁性金属或合金,制备成磁性金属纳米线阵列是近年来的研究热点,它们在磁记录介质、传感器、电子元器件等方面也有广阔的应用前景,河海大学在非晶的多孔氧化铝膜上,首次成功地制备了CdS纳米线。利用阳极氧化铝膜模板组装磁性铁纳米线阵列,具有优异的宽频微波吸收性能,可以成为很好的吸波材料;而这种纳米材料大的长径比导致易磁化方向沿着纳米线的长轴方向,显示出很强的磁各向异性,有望作为一种新型的超高密度垂直磁一记录介质。
参考文献:
[1] 尹邦跃.纳米时代〔M〕.北京:中国轻工业出版社,2001
[2] 张立德,牟季美著.纳米材料和纳米结构〔M].北京:科学出 版社,2001
[3] 李玲等编著.功能材料与纳米技术【M].北京:化学工业出版 社,2002
[4] MetalPowderRePort,2004(11):13
[5] “十一五”资源综合利用指导意见「J〕.中国环保产业,2007
[6] 国务院国发(2005)21号和国发(2005)22号文件中有关发展 再制造内容的节录.工程机械维修与再制造技术研讨会,2005
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