20多位專家齊論道納米材料技術(shù)與環(huán)境最新研究進展 承德人和礦業(yè)

納米技術(shù)被譽為21世紀最具潛力的科學技術(shù)，將納米技術(shù)運用于環(huán)境領(lǐng)域，開發(fā)出造福社會的新技術(shù)，是納米環(huán)境人共同的“詩與遠方”。本文整理了納米材料技術(shù)與環(huán)境的最新研究進展，內(nèi)容涵蓋納米復(fù)合材料的研究及應(yīng)用、納米尺度下污染物的作用機理及控制措施、天然納米顆粒的追蹤及環(huán)境行為等，涉及水、大氣、土壤、固廢等多個環(huán)保領(lǐng)域。

1.基于碳納米材料和納米效應(yīng)的膜分離技術(shù)及其水處理特性

大連理工大學   全燮教授

全燮教授團隊研究了膜分離技術(shù)在水和廢水處理中發(fā)揮重要的作用，例如在海水淡化、飲用水處理、污水處理-MBR、近零排放-工業(yè)廢水深度處理回用。全燮教授認為需解決高通量（高滲透性）、高選擇性（高截留率）、抗膜污染的膜分離新方法新原理等關(guān)鍵科學問題；并形成高通量（高滲透性）、高選擇性（高截留率）、抗膜污染和可工業(yè)化生產(chǎn)的分離膜的制備技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)突破。全燮教授闡述了基于碳納米材料的膜分離技術(shù)和膜分離與催化O₃氧化耦合中納米效應(yīng)。全燮教授團隊得出結(jié)論：基于碳納米材料的分離膜具有高滲透率、高通量的特性；碳納米材料的分離與電化學耦合-抗膜污染、提高截留率，同時膜分離與催化臭氧氧化耦合產(chǎn)生納米效應(yīng)，強化羥基自由基的產(chǎn)生，從而提高污染物的氧化分解效率。

2.抗生素的濫用與控制策略及處理技術(shù)

中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院   劉錦淮研究員

劉錦淮研究員認為控制策略上需抗生素的污染控制策略與技術(shù)并行，既要明晰排放源清單排放量，也需研發(fā)新的抗生素處理技術(shù)。其團隊的總體研究思路是針對抗生素難去除問題，發(fā)展高效納米凈水材料，開發(fā)深度凈水技術(shù)，形成綜合處理方案，集成系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)污染物高效去除。其團隊部分研究進展：

（1）基于β-環(huán)糊精高效去除抗生素的納米吸附材料與技術(shù)研究，發(fā)展了一種富含納米孔的多孔β-環(huán)糊精聚合物實現(xiàn)對水中多種抗生素的高效、快速去除；

（2）EDTA-Fe(III)的類芬頓法對水體中孔雀石綠的去除，EDTA促進了反應(yīng)體系羥基自由基（·OH）的快速產(chǎn)生，加快對抗生素孔雀綠的高效降解；

（3）一種納米雜多藍催化劑高效降解抗生素，發(fā)展出一種納米“線球”雜多藍類催化劑用于抗生素的降解；

（4）倒置A2+一體式微納曝氣好氧MBR聯(lián)合反應(yīng) ，具有膜組件置于生物反應(yīng)器內(nèi)部，省掉二沉池與膜池，增加活性污泥濃度，微納曝氣技術(shù)提高生化反應(yīng)的效率等優(yōu)勢。團隊在合肥濱湖醫(yī)院進行抗生素深度處理技術(shù)中試與應(yīng)用，中試運行日處理醫(yī)院廢水10噸。

3.土壤中納米物質(zhì)提取、遷移及凈化作用研究

中國科學院南京土壤研究所   駱永明研究員

駱永明研究員團隊的研究從土壤中天然納米膠體粒子入手，解決如何從土壤中獲得納米膠體粒子的方法學問題。在研究中，駱永明研究員提出了土壤納米膠體的分離制備方法，即以水作分散劑，采用連續(xù)分級的方法，可以簡單、快捷地獲得“原狀”的土壤納米膠體樣品，供土壤中納米物質(zhì)的研究。駱永明團隊針對土壤中人工納米顆粒的遷移性，進行可變電荷土壤中納米二氧化鈦遷移性的模擬研究。團隊發(fā)現(xiàn)溶解性有機質(zhì)含量高的鷹潭水耕人為土壤浸提液中nTiO₂穩(wěn)定性更高；沉降過程，nTiO₂吸附到土壤顆粒表面，與土壤顆粒共沉降；猜測nTiO₂遷移性與土壤中無定形氧化鐵含量可能呈現(xiàn)負相關(guān)，大部分nTiO₂可滯留在可變電荷土壤（紅壤）中。

4.納米晶生長調(diào)控技術(shù)資源化處理鉻渣的研究

華南理工大學   林璋教授

林璋團隊人工調(diào)控納晶快速轉(zhuǎn)化的原理來消除礦物材料的納米效應(yīng)，實現(xiàn)毒性鉻的高效分離。林璋團隊選取鉻鹽鉻渣，氯酸鹽鉻渣和電鍍鉻渣這三種典型鉻渣為對象，其工作思路首先是需要鑒別出影響Cr(VI)賦存的關(guān)鍵納米礦物，其次要探索出關(guān)鍵納晶快速轉(zhuǎn)化的途徑，同時研究如何實現(xiàn)晶相調(diào)控中Cr(VI)的高效分離，最后在此基礎(chǔ)上發(fā)展納晶快速轉(zhuǎn)化分離回收Cr(VI) 技術(shù)，并指導(dǎo)企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)驗證。

5.環(huán)境中納米顆粒的分離測定方法及生成轉(zhuǎn)化研究

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心  劉景富研究員

劉景富團隊利用濁點萃取分離富集納米銀和銀離子，并進行納塑料的濁點萃取富集及Py-GC/MS測定，發(fā)現(xiàn)納塑料的濁點萃取無粒徑歧視；劉景富研究員在含銀納米顆粒的圓盤固相萃取實驗發(fā)現(xiàn)萃取前后粒徑不變。在納米顆粒的分離測定方法方面，將色譜圖中的保留時間換算成粒徑，得到納米顆粒的質(zhì)量與粒徑分布圖，利用納米顆粒的質(zhì)量與粒徑分布圖，可一步實現(xiàn)納米材料的尺寸表征、質(zhì)量定量和組成鑒定。

6.納米材料表面功能化修飾及對環(huán)境污染物去除研究

華北電力大學   王祥科教授

王祥科教授在研究中提到大量的放射性核素釋放到環(huán)境中，給環(huán)境污染和人類健康帶來了重大威脅，放射性核素和環(huán)境介質(zhì)的相互作用與其化學形態(tài)(chemical species)與微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。同時提到EXAFS方法研究重金屬離子在固體表面的微觀結(jié)構(gòu)，理論計算化學在環(huán)境化學中可作分子水平分析表征作用。

7.溶解性有機質(zhì)對納米顆粒環(huán)境行為與生物效應(yīng)的影響

浙江大學   林道輝教授

林道輝教授在研究中提到納米材料廣泛應(yīng)用，自身尺寸效應(yīng)具有毒性，暴露到環(huán)境中引發(fā)潛在毒性，環(huán)境組分與納米顆粒相互作用影響其風險，亟需科學分析納米顆粒(NPs)的環(huán)境風險。溶解性有機質(zhì)(DOM)是非?；钴S的重要環(huán)境組分，林道輝教授工作闡明DOM對NPs環(huán)境行為與生物效應(yīng)的影響。林道輝團隊的研究顯示：

（1）溶解性有機質(zhì)強烈吸附在疏水性納米顆粒表面，抑制其團聚，提高其在水和土壤環(huán)境中的遷移性能；

（2）天然有機質(zhì)抑制納米顆粒-生物界面作用, 降低了納米顆粒的生物效應(yīng)。而真實環(huán)境中納米顆粒的行為與生物效應(yīng)是如何仍值得細致探究。

8.環(huán)境納米復(fù)合材料的構(gòu)建、規(guī)?；瘧?yīng)用及若干納米限域特性

南京大學   潘丙才教授

潘丙才教授研究了在水中特征污染物深度凈化的迫切需求需要發(fā)展深度處理技術(shù)大背景下引出水處理納米技術(shù)。潘丙才教授研制的復(fù)合材料在污染物凈化速度與納米顆粒的穩(wěn)定性方面有顯著提升；而相比常用于重金屬凈化的離子交換樹脂，復(fù)合材料在污染物深度凈化能力與工作容量方面有十分顯著的提升。潘丙才團隊還制備系列毫米尺寸復(fù)合納米吸附材料，材料噸級量產(chǎn)，首次實現(xiàn)我國環(huán)境納米復(fù)合材料的系列化、規(guī)?；a(chǎn)，發(fā)明了基于新材料的工業(yè)廢水深度處理與回用新技術(shù)。

9.天然納米顆粒物對有機污染物的吸附及光催化轉(zhuǎn)化行為研究

北京大學   朱東強教授

在天然納米顆粒對污染物環(huán)境行為具有重要影響的研究背景下，發(fā)現(xiàn)天然納米顆粒是土壤有機污染物的吸附劑、載體和反應(yīng)器。在蒙脫石顆粒尺寸對其與四環(huán)素間作用的影響探究中發(fā)現(xiàn)四環(huán)素在11000rpm粘土樣品的吸附顯著低于其他組分的樣品，膠體蒙脫石顆粒形成“卡房”結(jié)構(gòu)，阻礙四環(huán)素分子進入粘土層間（Xu and Zhu 2014, J. Environ. Qual.）。在蒙脫石膠體顆粒對四環(huán)素光轉(zhuǎn)化的促進效應(yīng)探究中提出新型有機污染物在粘土表面吸附-轉(zhuǎn)化耦合作用新機制（Xu et al., 2018, Environ. Sci. Technol. Under revision.）。在離子效應(yīng)控制了溶解性黑碳的空間構(gòu)型和聚沉行為探究中發(fā)現(xiàn)Na⁺和Mg²⁺無法誘導(dǎo)溶解性黑碳的團聚行為，而Ca²⁺易使溶解性黑碳脫穩(wěn)團聚為解釋土壤有機質(zhì)高含量芳香組分提供了新視角。

10.微納米尺度物質(zhì)健康影響評價技術(shù)與應(yīng)用

中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院   襲著革研究員

在比較研究各個尺度微納粒子健康危害的基礎(chǔ)上，重點研究了PM2.5和納米材料，圍繞環(huán)境中微納粒子進行健康影響評價的3個關(guān)鍵問題，一是微納粒子健康危害的靶點和劑量關(guān)系，二是是否會吸附環(huán)境污染物，放大其危害，三是傳統(tǒng)評價技術(shù)是否適合納米粒子。發(fā)現(xiàn)了納米材料可促進細菌之間接合質(zhì)粒介導(dǎo)的耐藥基因轉(zhuǎn)移；揭示了微納米粒子對血管外膜和內(nèi)皮細胞結(jié)構(gòu)、功能損傷的特點和規(guī)律；定量表征了PM2.5、納米顆粒物及載帶致癌物的尺寸效應(yīng)和致癌作用；建立了毒理學替代動物線蟲的毒性評價技術(shù)和環(huán)境安全劑量的評價方法。

11.貴金屬催化劑催化凈化VOC研究

北京工業(yè)大學   鄧積光研究員

研究在如何提高0.05 wt%Pt/TiO₂催化凈化丙酮的性能研究上，發(fā)現(xiàn)CeO₂可顯著提高0.06 wt% Ag/Mn₂O₃催化凈化甲苯的穩(wěn)定性。分析Ce改性0.05 wt%Pt/TiO₂催化凈化丙酮的過程發(fā)現(xiàn)丙酮吸附在催化劑表面，在低溫下丙酮部分氧化生成甲酸鹽物種；隨著反應(yīng)溫度的升高，甲酸鹽變成碳酸鹽物種；最后中間物種完全氧化生成CO₂和H₂O。報告小結(jié)得到貴金屬-氧化物界面是主要活性位，具有優(yōu)異的催化凈化丙酮性能；調(diào)控表面酸堿性，可適當提高催化劑抗CO₂和SO₂性能等結(jié)論。

12.微生物即時檢測檢驗技術(shù)研究

大連理工大學  劉猛教授

在水(食)源性致病菌的背景下，研究即時檢測檢驗技術(shù)，從傳統(tǒng)實驗室到紙芯片實驗室，從傳統(tǒng)儀器到微流控紙分析器件。針對致病菌C.difficile的快速檢測，利用體外進化技術(shù)篩選出具有特異性識別和強結(jié)合能力的功能核酸分子；發(fā)展了新型的恒溫指數(shù)核酸擴增方法，實現(xiàn)了識別信號的放大；利用折紙原理，制備了三維紙基微流控芯片，實現(xiàn)了分子識別和信號放大的可控偶聯(lián)，用于致病菌的快速和高靈敏檢測。劉猛教授說他的工作是用體外進化的力量解決環(huán)境分析化學問題。

13.納米砷渣中砷的釋放與氧化：可見光的促進作用

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心   張靜研究員

在研究中總結(jié)道砷渣的排放與堆積產(chǎn)生巨大環(huán)境危害，光照大大促進了砷渣中砷的釋放和氧化，增加環(huán)境危害，光照產(chǎn)生活性氧及硫自由基，導(dǎo)致砷和硫的釋放與轉(zhuǎn)化，對重金屬遷移轉(zhuǎn)化、硫元素的地球化學循環(huán)影響，砷渣環(huán)境行為的研究對堆存與后處理的指導(dǎo)意義。張靜研究員同時還提到下一步工作計劃是抑制砷的釋放——固化穩(wěn)定化策略，進一步促進釋放——分離回收利用。

14.納米銀材料在水環(huán)境中化學轉(zhuǎn)化行為的影響機制研究

南開大學   祝凌燕教授

在研究中提到納米銀材料在水環(huán)境中的化學轉(zhuǎn)化（包括氧化溶解和硫化轉(zhuǎn)化）是復(fù)雜的異相反應(yīng)。其中納米銀材料的表面積是影響硫化速率的關(guān)鍵因素之一，納米銀的硫化是以直接硫化為主的過程，陽離子表面活性劑顯著促進納米銀線的氧化溶解和硫化轉(zhuǎn)化，納米二氧化鈦促進納米銀的氧化溶解和再還原形成更加小粒徑的納米銀，將改變其生物效應(yīng)。

15.納米尺度下礦物和有機質(zhì)相互作用機制及其對重金屬環(huán)境行為影響

華南理工大學   石振清教授

石振清教授發(fā)現(xiàn)鐵礦物轉(zhuǎn)化、重金屬形態(tài)分布以及有機質(zhì)分布之間的動態(tài)耦合影響著重金屬環(huán)境行為和礦物及有機質(zhì)穩(wěn)定性。納米甚至原子尺度下的微觀機制的研究有助于準確的建立宏觀環(huán)境模型來預(yù)測重金屬多尺度動力學行為。分子層次上有機質(zhì)在礦物表面上的分餾機制有助于建立機理模型預(yù)測有機質(zhì)和污染物環(huán)境行為。石振清教授通過將重金屬和土壤反應(yīng)的熱力學平衡（靜態(tài)）和動力學反應(yīng)（動態(tài)）有機整合在一起，建立了不同條件下的重金屬反應(yīng)的通用模型；發(fā)展的模型有助于預(yù)測重金屬的生物有效性、環(huán)境轉(zhuǎn)化和歸宿。

16.過渡金屬氧化物@環(huán)糊精與有機微污染化合物的催化降解

山東大學   占金華教授

從識別，催化和選擇性輸出三方面凝練工作。識別：環(huán)糊精與有機微污染的主客體相互作用；催化: 過渡金屬氧化物納米材料催化過氧化氫等氧化劑產(chǎn)生氧化性自由基；選擇性輸出：有機微污染被催化降解為各類小分子酸。

17.石墨烯在典型生物體內(nèi)的分布、遷移與轉(zhuǎn)化

南京大學   毛亮副教授

主要得到石墨烯能夠在水稻根、莖葉累積，石墨烯還能夠跨過細胞膜進入葉綠體；暴露于石墨烯的水稻莖葉中羥基自由基的存在，可能是導(dǎo)致水稻莖葉中石墨烯礦化的原因；從土培實驗進一步證實了累積的石墨烯在水稻中能被礦化等結(jié)論。

18.幾種接近實用化的SERS襯底與器件

中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院   孟國文研究員

孟國文教授團隊實現(xiàn)對甲基對硫磷農(nóng)藥模擬污染液的快速痕量檢測（Huang , Meng*, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 17247 (2015)），搭建了基于“納米結(jié)構(gòu)光纖探針增強型”便攜式器件（Huang, Meng*, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 17247 (2015)；Liu, Meng, Mao,  et al. Nanoscale 8,10607(2016)），研制了“光纖探針增強型”便攜式拉曼光譜儀樣機，實現(xiàn)了對污染土壤提取液中兩種多氯聯(lián)苯的快速檢測。

19.同位素指紋追蹤環(huán)境中納米顆粒的來源

中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心  劉倩研究員

劉倩研究員研究中說道兩類重要的環(huán)境顆粒態(tài)污染物：PM2.5、納米顆粒物(超細顆粒物)，在目前的認知是不能夠通過同位素指紋揭示顆粒物來源，例如Ag同位素指紋不能直接區(qū)分天然與工程納米銀（Q. Liu*, G. Jiang*, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 682-686）。而劉倩研究員發(fā)現(xiàn)不同污染源具有顯著不同的Si同位素指紋，滿足同位素溯源的前提條件，利用Si同位素判斷重點污染源（Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 1088−1095），并實驗利用Si同位素指紋反映了近年北京PM來源的變化。

20.MXene材料對錒系元素的吸附與固定化研究

中國科學院高能物理研究所   石偉群研究員

石偉群研究員以V₂CT_x為示范，首次從實驗上證實了MXene材料可用于放射性核素的吸附分離。理論預(yù)測了Ti₃C₂T_x與U(VI)具有較強的相互作用，并通過插層和水化處理使Ti₃C₂T_x對U、Th、重金屬離子、染料分子的吸附容量大幅提高，并利用MXene的納米多層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對放射性核素的高效封裝固定。研究了Ti₂CT_x對U(VI)的持續(xù)吸附-還原固定行為，低pH條件下仍可實現(xiàn)U(VI)的高效去除，并對還原機理進行了深入研究。

21.無機助催化芬頓反應(yīng)體系處理有機污染物廢水的研究

華東理工大學   邢明陽副教授

邢明陽副教授發(fā)現(xiàn)三維石墨烯助催化光芬頓體系可實現(xiàn)中性條件下對有機污染物的有效去除；硫化物助催化芬頓體系可促進鐵離子高效循環(huán)，實現(xiàn)其對有機污染物的快速高效去除，實現(xiàn)同步氧化還原反應(yīng)，及暗反應(yīng)條件下的快速殺菌。同時，邢明陽副教授報告中提到鉬粉助催化芬頓體系有望在同步氧化還原、選擇性氧化等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

22.放射性核素的環(huán)境行為及其在納米材料上富集機理

華北電力大學   孫玉兵副研究員

在研究中，孫玉兵研究員提到放射性核素的環(huán)境行為不僅與土-水-氣界面相關(guān)，而且放射性核素本身的化學形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。而我們?nèi)绾螠蚀_地預(yù)測和評估放射性核素在環(huán)境化學行為？孫玉兵團隊通過批次實驗法研究放射性核素在不同環(huán)境條件下吸附過程，然后利用表面絡(luò)合模型模擬其吸附過程，并揭示在不同環(huán)境介質(zhì)中的作用機理，能夠很好地預(yù)測放射性核素在實際環(huán)境介質(zhì)中的化學行為。

23.原位紅外在研究光催化表面反應(yīng)中的應(yīng)用

中國科學院化學研究所   陳春城研究員

陳春城研究員驗證了氫鍵吸附在{001}面的水分子優(yōu)先氧化，得到水分子在不同的晶面上有不同的吸附模式及只有氫鍵吸附在{001}的水分子被氧化的結(jié)論。同時發(fā)現(xiàn)配位吸附的水不利于被空穴氧化，氫鍵吸附有利于空穴氧化的發(fā)生，并不是吸附越強越有利于氧化反應(yīng)。

24.還原鉻渣堆存過程中的Cr(VI)緩釋機理及解決策略

華南理工大學   劉煒珍副教授

劉煒珍副教授認為鈣礬石是還原堆存鉻渣中影響Cr(VI) 緩釋的關(guān)鍵物相之一，它含有晶格態(tài)的Cr(VI)，但是在環(huán)境CO₂等條件下容易晶格破壞從而釋放出Cr(VI)。鈣礬石對于還原堆存鉻渣的環(huán)境風險評估具有重要意義。還原鉻渣緩釋Cr(VI)的解決策略：用碳酸鹽作為調(diào)控劑，可導(dǎo)致鈣礬石的物相轉(zhuǎn)變，從而釋放Cr(VI)。水熱條件是必須的，可以促進晶體生長，使鉻渣徹底脫毒并回收Cr(VI)。

25.半導(dǎo)體光能驅(qū)動催化降解污染物界面機制的研究

南開大學   展思輝教授

展思輝教授通過材料界面化學官能團調(diào)控實現(xiàn)目標污染物的靶向去除和催化氧化一體化。在同軸Fe@TiSi快速凈化典型染料廢水實驗中發(fā)現(xiàn)γ-Fe₂O₃核心可以使纖維催化劑更容易從水中回收，Si的摻雜可以提升光催化降解效率，摻雜硅可以擴展可見光吸收,抑制空穴−電子重組,并縮小TiO₂的帶隙。

26.基于光催化技術(shù)處理污水中鉻離子的研究

上海師范大學   卞振鋒教授

卞振鋒教授團隊發(fā)現(xiàn)通過表面簡單修飾，可實現(xiàn)選擇性吸附/脫附六價鉻/三價鉻離子，提高光催化還原速率，抑制光催化劑失活。