納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用與研究進(jìn)展

屈思宇 蔡露 楊曉雨 唐宇 許定達(dá)

摘????? 要：納米材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，納米材料在環(huán)境保護(hù)中的作用巨大，已成為國(guó)內(nèi)外環(huán)境工作者們的研究重點(diǎn)。通過(guò)分析納米材料的現(xiàn)狀以及在水環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境治理等方面中的應(yīng)用，總結(jié)了納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用，同時(shí)展望了新型納米材料的合成及在材料科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、催化科學(xué)、分析分離科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用以及一維碳化物納米材料的研究前景。

關(guān)? 鍵? 詞：納米材料；環(huán)境保護(hù)；治理；污染

中圖分類(lèi)號(hào)：X51/593?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0868-04

隨著全世界工業(yè)化發(fā)展加快，全世界都面臨著嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。但隨著納米材料的逐漸發(fā)展和新型納米材料的更新，改變了人們治理環(huán)境的方式，同時(shí)增強(qiáng)了人類(lèi)保護(hù)環(huán)境的能力。納米材料為改善環(huán)境質(zhì)量和減少新的污染源產(chǎn)生提供了技術(shù)支撐。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料[1]。納米材料常以材料表面上的原子個(gè)數(shù)在總的原子個(gè)數(shù)中的占比大和量子尺寸定律影響材料的各種物理化學(xué)性能，使納米顆粒具有不同于其他材料的性質(zhì)。

1? 納米材料的研究現(xiàn)狀

1.1? 納米材料的發(fā)展歷程

納米材料是指在三維空間中至少有一維在1～100 nm范圍的材料或者由其作為基本組分構(gòu)成的材料，是10～100個(gè)原子在空間中緊密排列在一起的尺度大小[2]。

自20世紀(jì)70年代納米材料出世以來(lái)，從研究特點(diǎn)和內(nèi)涵來(lái)看，大致可分為3個(gè)階段：1990年之前，科學(xué)家主要是在實(shí)驗(yàn)室里利用各種方法探索納米材料的特性，制備各種化學(xué)材料的納米顆?；蛭⑿『铣蓧K體，研究納米材料表征評(píng)價(jià)的方法[3]； 1990—1994年，人們?cè)诩{米材料方面的研究熱點(diǎn)是利用納米材料的物理化學(xué)特性，研究探索納米材料在材料運(yùn)用中的物性和新型納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)，用來(lái)合成不同性能的新型納米復(fù)合材料；1994年至今，人工組裝合成的新型納米結(jié)構(gòu)材料體系——納米組裝體系成了納米材料研究主導(dǎo)方向。它的內(nèi)涵基本是在一維、二維和三維空間中，以微粒納米和由它們所構(gòu)成的納米絲管為基本組成單元進(jìn)行排列組裝，構(gòu)成新的納米結(jié)構(gòu)體系。

20世紀(jì)80年代末，我國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展納米材料技術(shù)的研究，90年代末，越來(lái)越多的公司選擇從事有關(guān)納米材料的生產(chǎn)和技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)用，國(guó)家政府也不斷增加納米材料領(lǐng)域的資金投入，納米材料產(chǎn)業(yè)逐漸興起。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)的納米材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入比較穩(wěn)定的發(fā)展階段，各種納米產(chǎn)業(yè)包括納米材料相關(guān)的新材料產(chǎn)業(yè)法規(guī)和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也相繼頒布，納米行業(yè)的環(huán)境逐漸變好，競(jìng)爭(zhēng)更加有序。

1.2? 納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀

納米材料是新世紀(jì)的最新科研成果，這種材料在社會(huì)發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用，并具有成為未來(lái)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)中主要應(yīng)用材料的發(fā)展趨勢(shì)。納米材料應(yīng)用在信息產(chǎn)業(yè)、環(huán)境產(chǎn)業(yè)、能源環(huán)保、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，在幫助產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，為人們的社會(huì)發(fā)展、科研進(jìn)步、醫(yī)藥發(fā)展帶去了很好的輔助作用。納米材料作為一種新型材料物質(zhì)，應(yīng)用在生活的各種地方，用納米材料制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度高，更加精準(zhǔn)?？茖W(xué)家們借助納米材料的許多特殊性能，在自己的研究領(lǐng)域都取得了質(zhì)的飛躍，使納米材料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛化。

納米材料產(chǎn)業(yè)的集群化、聚集化已經(jīng)成為我國(guó)納米材料發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)家和政府在未來(lái)應(yīng)更加注重納米技術(shù)科技成果轉(zhuǎn)化、納米材料產(chǎn)業(yè)制度優(yōu)化、納米材料發(fā)展資本孵化及創(chuàng)新能力的可持續(xù)發(fā)展等，加快突破在技術(shù)上制約納米材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中的困難。

納米材料向著更適配元件的小型化、智能化、高集成和超快傳輸?shù)确较虬l(fā)展，也將圍繞生物醫(yī)藥、新能源、半導(dǎo)體、航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等新興領(lǐng)域研發(fā)新型功能材料。

2? 納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用

2.1? 納米材料在水環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

納米技術(shù)按其在水環(huán)境污染治理中的作用原理可將處理方法分為三大類(lèi)：過(guò)濾、催化、吸附[4]。該納米技術(shù)以其極高的降解效率和特殊的適應(yīng)性，為全世界環(huán)境材料科學(xué)工作者所看重。大量實(shí)驗(yàn)表明，納米Cu2O、CuFeO2、TiO2等作為光反應(yīng)的催化劑，催化氧化水中的有機(jī)污染物，使其在陽(yáng)光下快速分解轉(zhuǎn)化[5]。至今，納米TiO2已經(jīng)能處理80余種有毒污染物質(zhì)，能很快完全催化氧化水中的各種有機(jī)物質(zhì)，使其變?yōu)樗投趸嫉葻o(wú)毒無(wú)害的物? 質(zhì)[6]。中科院利用納米TiO2粉末，在太陽(yáng)光下對(duì)十二烷基苯磺酸鈉水溶液和酚水溶液進(jìn)行光催化反應(yīng)，在多云天氣條件下進(jìn)行，12 h后將苯酚濃度? （0.5 mmol·L-1）降解為0，將十二烷基苯磺酸鈉?? （1 mmol·L-1）降解完全，沒(méi)有二次污染物產(chǎn)生[7]。

污水中重金屬離子對(duì)人體的危害非常大，但它在環(huán)境中的流失對(duì)資源來(lái)說(shuō)也是一種浪費(fèi)。納米粒子能通過(guò)光反應(yīng)生成還原能力很強(qiáng)的光電子，其對(duì)水中的重金屬離子有很強(qiáng)的吸附能力。例如，納米TiO2可以吸附表面具有高氧化態(tài)的Hg、Ag、Pd等對(duì)人體有害的重金屬離子，將其還原成微小的金屬晶體，這不僅消除了水環(huán)境中重金屬離子的毒性，又回收了重金屬離子[8]。在水環(huán)境治理中納米復(fù)合材料成了不可或缺角色，2018年鄭典元[9]等針對(duì)銀納米線石墨烯復(fù)合材料制備及其抑菌能力等研究熱點(diǎn)，采用了以聚乙烯基吡咯烷酮、乙二醇、氯化鈉、硝酸銀等為原材料， 采用水浴法合成銀納米線石墨烯復(fù)合材料的研究方法，得到了納米線負(fù)載在石墨烯上分布均勻， 材料具有高比表面積與吸附能力、有較好的抑菌能力，最后展望了銀納米線石墨烯復(fù)合材料成為過(guò)濾清潔水膜備選材料具有工業(yè)化生產(chǎn)前景，為納米材料在水環(huán)境保護(hù)和治理中的應(yīng)用創(chuàng)造了更好的條件。

2.2? 納米材料在土壤環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

最近幾年，我國(guó)土壤污染現(xiàn)象越來(lái)越突出，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。人們長(zhǎng)期居住于污染的土壤中，食用污染土壤中生長(zhǎng)的蔬菜、糧食等，都會(huì)對(duì)身體帶來(lái)較大的傷害，威脅生命健康，因此如何對(duì)污染的土壤進(jìn)行治理成為很多人關(guān)注的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，我國(guó)政府將納米材料應(yīng)用到土壤環(huán)境污染治理中，從污染治理和土壤修復(fù)兩個(gè)方面入手，充分發(fā)揮和利用納米材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以改善土壤污染問(wèn)題，從而為人們構(gòu)建更加安全和舒適的生活環(huán)境。

應(yīng)用實(shí)踐表明，納米材料在降解有機(jī)污染物的過(guò)程中，在修復(fù)有機(jī)污染土壤的研究領(lǐng)域表現(xiàn)出極高的表面吸附能力、催化降解和氧化還原性能，是傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)難以超越的。一般情況下，納米材料的重合和鈍化，會(huì)影響土壤介質(zhì)中納米材料的反應(yīng)活性、反應(yīng)穩(wěn)定性和自身的遷移能力，許多改性方法制造的納米材料應(yīng)運(yùn)而生。因此，在土壤環(huán)境污染治理方面，納米材料的可行性和有效性非常高，不僅能夠?qū)Ρ晃廴镜耐寥榔鸬胶芎玫膬艋饔茫€能夠吸附土壤中的重金屬離子，為實(shí)現(xiàn)土壤的有效修復(fù)發(fā)揮出重要作用[10]。

2.3? 納米材料在大氣環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

大氣中含有高濃度的SO2、H2S等硫化物時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響人體健康，利用納米TiO2光催化所產(chǎn)生的活性氧，可將這些氣體氧化，生成帶有SO42-的化合? 物[11]。汽車(chē)排放的尾氣當(dāng)中含有大量直接污染人類(lèi)生活環(huán)境的氣體，對(duì)人的呼吸道的健康有很大的影響。國(guó)家和政府大力支持替代燃油，或治理汽車(chē)尾氣污染的新型材料的研發(fā)，對(duì)凈化人類(lèi)生存環(huán)境的意義重大。例在汽車(chē)尾氣傳感器的制備和裝配中應(yīng)用納米復(fù)合材料，通過(guò)監(jiān)測(cè)汽車(chē)尾氣排放情況，通過(guò)改革工藝、調(diào)整空燃比或減少富油燃燒，及時(shí)報(bào)警污染物超標(biāo)排放，達(dá)到減少大量燃料消耗和有毒有害氣體排放的目的。許多納米稀土對(duì)汽車(chē)燃油所排放的一氧化碳、氮氧化物等具有較好的催化轉(zhuǎn)化作用，其可以作為汽車(chē)有毒有害尾氣的催化劑替代比較昂貴的重金屬催化劑進(jìn)行反應(yīng)[12]。

汽車(chē)排放的尾氣中，影響人體健康的有害氣體有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等，若在汽車(chē)燃油燃燒時(shí)加入納米級(jí)的催化劑，不僅能使燃油完全燃燒，能提高能源利用率，還能不產(chǎn)生一氧化硫氣體，并使氣態(tài)硫轉(zhuǎn)化為固態(tài)硫化物加以去除。如使用納米Fe2O3作為汽車(chē)燃油燃燒的納米級(jí)催化劑，汽車(chē)運(yùn)作時(shí)經(jīng)催化的燃油燃燒產(chǎn)生的硫的含量很小， 這不僅節(jié)約了燃油資源，提高了資源的綜合利用率，也減少了汽車(chē)有害氣體排放所造成的環(huán)境污染?? 問(wèn)題[12-13]。

3? 納米材料的發(fā)展前景及未來(lái)展望

3.1? 發(fā)展前景

在快速發(fā)展的21世紀(jì)，生物醫(yī)藥、資源利用、信息處理、環(huán)境污染治理和科學(xué)技術(shù)等相關(guān)的行業(yè)都對(duì)納米材料有更高的需求，對(duì)納米材料的大小要求非常嚴(yán)格，更加智能化、便攜化成為納米材料研究的最新方向，國(guó)防安全、航空航天以及先進(jìn)技術(shù)等對(duì)納米材料的要求越來(lái)越高[13]。新型材料革新、納米材料運(yùn)用以及在這些問(wèn)題的基礎(chǔ)上所引起的納米材料產(chǎn)品的革新，是未來(lái)十幾年對(duì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)振興、國(guó)家綜合實(shí)力等具有重大影響力的戰(zhàn)略性研究領(lǐng)域，將起到非常至關(guān)重要的作用[14]。

我國(guó)在納米科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的起步時(shí)間較早，與國(guó)際上納米技術(shù)研究與運(yùn)用基本上是同步進(jìn)行的。我國(guó)具備豐富的資源與大量新型納米科技研究的條件，國(guó)家的大型科研院所以及相關(guān)納米技術(shù)企業(yè)對(duì)納米材料領(lǐng)域研究的步伐在不斷加快[15-16]。在納米技術(shù)研究方面，我國(guó)某些領(lǐng)域已領(lǐng)先國(guó)際平均水平。這些都為納米科學(xué)技術(shù)的飛躍式發(fā)展提供了前提條件。

納米材料將在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和資源循環(huán)等方面扮演十分重要的角色，納米技術(shù)將發(fā)揮十分重要的作用。前段時(shí)間，結(jié)合政府和國(guó)家的戰(zhàn)略性要求，在能源運(yùn)用、資源結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境污染防治以及水處理等行業(yè)應(yīng)用納米材料和技術(shù)已經(jīng)有了一個(gè)較好的開(kāi)始。用于水環(huán)境污染處理的納米絮凝劑等產(chǎn)品也相繼開(kāi)發(fā)成功，在這些產(chǎn)品的基礎(chǔ)上也發(fā)展了一系列的新型納米產(chǎn)業(yè)[17-20]。

3.2? 未來(lái)展望

納米材料在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用范圍廣泛，隨著醫(yī)藥技術(shù)、科技制造技術(shù)、能源利用技術(shù)等行業(yè)對(duì)納米材料的高要求，納米材料與技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)需求增長(zhǎng)，行業(yè)的發(fā)展前景好。但就目前的發(fā)展形勢(shì)而言，我國(guó)市場(chǎng)中的納米材料多為較低端的材料，高端納米材料在市場(chǎng)中的占有率很低。

目前納米材料在環(huán)保領(lǐng)域已有較大的作用，納米凈化劑、納米絮凝劑、納米固硫劑等新型環(huán)保產(chǎn)品相繼被開(kāi)發(fā)，納米材料的應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大，其市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，平均每年保持20%左右的速率快速增長(zhǎng)，2020年我國(guó)納米行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了1 700億元左右，預(yù)計(jì)2024年納米材料的市場(chǎng)規(guī)模將突破2 800億元。

在經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，納米材料的發(fā)展和運(yùn)用將會(huì)更加全面快速，新型納米材料將應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：在材料科學(xué)中的應(yīng)用；在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用；在催化科學(xué)中的應(yīng)用；新型納米材料的制作及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用。對(duì)新型納米材料的研究將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：開(kāi)發(fā)成本低、效率高、無(wú)害環(huán)保的納米材料合成方法；材料制備流程有序規(guī)?；?；納米材料的特性由單一到集成；納米材料的應(yīng)用從理論到實(shí)際。

4? 結(jié)束語(yǔ)

納米材料在環(huán)境治理中能通過(guò)各種途徑釋放到環(huán)境中，成為納米廢棄物，污染環(huán)境。就目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于納米材料運(yùn)用中潛在風(fēng)險(xiǎn)的研究相當(dāng)缺乏，還未建立高效處理納米廢棄物的管理機(jī)制。所以對(duì)于新型納米材料的開(kāi)發(fā)和納米材料在環(huán)境治理中的應(yīng)用與研究將會(huì)更加深入，繼續(xù)堅(jiān)持走綠色發(fā)展道路，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造人與自然和諧共生的現(xiàn)代化社會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張立德， 牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2001.

[2] 郭玉婷， 葛廣路. 納米材料的歐盟定義及安全性評(píng)估[J]. 中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備， 2012（2）： 41-45.

[3] 福建省科技信息研究所檢索查新部. 二十一世紀(jì)的“工業(yè)革命” ——納米科技最新進(jìn)展[J]. 廈門(mén)科技， 2003（1）： 23-25.

[4] 于傳見(jiàn). 納米技術(shù)在水、空氣處理方面的應(yīng)用[J]. 今日科技， 2002（5）： 34-36.

[5] 豆俊峰， 鄒振揚(yáng)， 鄭澤根. 納米TiO2的光化學(xué)特性及其在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報(bào)， 2000， 14（6）： 35-37.

[6] 海景， 程江. 納米材料在水污染治理方面的應(yīng)用[J]. 廣東化工， 2004， 31（S1）： 51-52， 48.

[7] 韓瑋. 綠色化學(xué)、納米技術(shù)與環(huán)境保護(hù)[J]. 中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)， 2004（8）： 46-48.

[8] 于冰川.光催化納米材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用[J].石油化工，2021，34

（5）：491-496.

[9] 鄭典元， 孫成祥. 銀納米線石墨烯復(fù)合材料制備及其抑菌能力研究

[J]. 連云港師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)， 2018， 35（4）： 101-104.

[10] 陳雪文， 周曼， 朱曉嬋. 納米材料在水體治理和土壤修復(fù)中的應(yīng)用

分析[J]. 粘接， 2021， 47（7）： 75-79.

[11] 岳宗愷， 周啟星. 納米材料在有機(jī)污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用與展望

[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2017， 36（10）： 1929-1937.

[12] 樊丁琿. 稀土復(fù)合氧化物汽車(chē)尾氣催化劑的制備與表征[D]. 哈爾

濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2006.

[13] 孫鳳英， 馬春磊. 納米TiO2光催化材料及其在凈化大氣污染中的應(yīng)

用[J]. 森林工程， 2007， 23（5）： 19-21， 70.

[14] 鄧勇航. 納米材料在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J]. 廣西輕工業(yè)，

2008， 24（2）： 16-17.

[15]佚名. 納米產(chǎn)業(yè)化：我國(guó)存在跨越式發(fā)展機(jī)遇[J]. 稀有金屬，2021（3）：25.

[16]盛國(guó)棟，楊世通，郭志強(qiáng)，等. 納米材料和納米技術(shù)在核廢料處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 核化學(xué)與放射化學(xué)，2022，34（6）：321-330.

[17]鄭慶新. 超臨界水體系在多元氧化物微納米材料合成中的應(yīng)用研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[18]陳瑜.新型納米材料的合成及應(yīng)用[J].化學(xué)工程師，2020，34（9）：57-59.

[19]楊秀培.從鋅焙砂濕化學(xué)法制備高純，球狀納米ZnO粉體材料的研究[D]. 成都：四川大學(xué)，2020.

[20]許海燕，孔樺. 納米材料及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用[J]. 國(guó)外醫(yī)學(xué)（生物醫(yī)學(xué)工程分冊(cè)），1998（5）：262-266.

Application and Research Progress of Nanometer Materials

in Environmental Governance

QU Siyu ， CAI Lu， YANG Xiaoyu， TANG Yu， XV Dingda

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Neijiang Normal University， Neijiang Sichuan 641100， China）

Abstract：? Nanometer materials have many advantages， such as high hardness， high strength and high stability. It is found that nanometer materials play an important role in environmental protection， and has become the focus of environmental workers at home and abroad. By analyzing the present situation of nanometer materials and their application in water environment， soil environment and air environment treatment， the application of common nanometer materials in environmental treatment was summarized， at the same time， the synthesis of new nanometer materials and their applications in materials science， medicine， catalysis， analysis and separation， as well as the research prospect of one-dimensional carbide nanometer materials were also prospected.

Key words：? Nanometer material; Environmental protection; Government; Contaminated