20多位专家齐论道纳米材料技术与环境最新研究进展 承德人和矿业

纳米技术被誉为21世纪最具潜力的科学技术，将纳米技术运用于环境领域，开发出造福社会的新技术，是纳米环境人共同的“诗与远方”。本文整理了纳米材料技术与环境的最新研究进展，内容涵盖纳米复合材料的研究及应用、纳米尺度下污染物的作用机理及控制措施、天然纳米颗粒的追踪及环境行为等，涉及水、大气、土壤、固废等多个环保领域。

1.基于碳纳米材料和纳米效应的膜分离技术及其水处理特性

大连理工大学   全燮教授

全燮教授团队研究了膜分离技术在水和废水处理中发挥重要的作用，例如在海水淡化、饮用水处理、污水处理-MBR、近零排放-工业废水深度处理回用。全燮教授认为需解决高通量（高渗透性）、高选择性（高截留率）、抗膜污染的膜分离新方法新原理等关键科学问题；并形成高通量（高渗透性）、高选择性（高截留率）、抗膜污染和可工业化生产的分离膜的制备技术等关键技术突破。全燮教授阐述了基于碳纳米材料的膜分离技术和膜分离与催化O₃氧化耦合中纳米效应。全燮教授团队得出结论：基于碳纳米材料的分离膜具有高渗透率、高通量的特性；碳纳米材料的分离与电化学耦合-抗膜污染、提高截留率，同时膜分离与催化臭氧氧化耦合产生纳米效应，强化羟基自由基的产生，从而提高污染物的氧化分解效率。

2.抗生素的滥用与控制策略及处理技术

中国科学院合肥物质科学研究院   刘锦淮研究员

刘锦淮研究员认为控制策略上需抗生素的污染控制策略与技术并行，既要明晰排放源清单排放量，也需研发新的抗生素处理技术。其团队的总体研究思路是针对抗生素难去除问题，发展高效纳米净水材料，开发深度净水技术，形成综合处理方案，集成系统设备，实现污染物高效去除。其团队部分研究进展：

（1）基于β-环糊精高效去除抗生素的纳米吸附材料与技术研究，发展了一种富含纳米孔的多孔β-环糊精聚合物实现对水中多种抗生素的高效、快速去除；

（2）EDTA-Fe(III)的类芬顿法对水体中孔雀石绿的去除，EDTA促进了反应体系羟基自由基（·OH）的快速产生，加快对抗生素孔雀绿的高效降解；

（3）一种纳米杂多蓝催化剂高效降解抗生素，发展出一种纳米“线球”杂多蓝类催化剂用于抗生素的降解；

（4）倒置A2+一体式微纳曝气好氧MBR联合反应 ，具有膜组件置于生物反应器内部，省掉二沉池与膜池，增加活性污泥浓度，微纳曝气技术提高生化反应的效率等优势。团队在合肥滨湖医院进行抗生素深度处理技术中试与应用，中试运行日处理医院废水10吨。

3.土壤中纳米物质提取、迁移及净化作用研究

中国科学院南京土壤研究所   骆永明研究员

骆永明研究员团队的研究从土壤中天然纳米胶体粒子入手，解决如何从土壤中获得纳米胶体粒子的方法学问题。在研究中，骆永明研究员提出了土壤纳米胶体的分离制备方法，即以水作分散剂，采用连续分级的方法，可以简单、快捷地获得“原状”的土壤纳米胶体样品，供土壤中纳米物质的研究。骆永明团队针对土壤中人工纳米颗粒的迁移性，进行可变电荷土壤中纳米二氧化钛迁移性的模拟研究。团队发现溶解性有机质含量高的鹰潭水耕人为土壤浸提液中nTiO₂稳定性更高；沉降过程，nTiO₂吸附到土壤颗粒表面，与土壤颗粒共沉降；猜测nTiO₂迁移性与土壤中无定形氧化铁含量可能呈现负相关，大部分nTiO₂可滞留在可变电荷土壤（红壤）中。

4.纳米晶生长调控技术资源化处理铬渣的研究

华南理工大学   林璋教授

林璋团队人工调控纳晶快速转化的原理来消除矿物材料的纳米效应，实现毒性铬的高效分离。林璋团队选取铬盐铬渣，氯酸盐铬渣和电镀铬渣这三种典型铬渣为对象，其工作思路首先是需要鉴别出影响Cr(VI)赋存的关键纳米矿物，其次要探索出关键纳晶快速转化的途径，同时研究如何实现晶相调控中Cr(VI)的高效分离，最后在此基础上发展纳晶快速转化分离回收Cr(VI) 技术，并指导企业实现技术验证。

5.环境中纳米颗粒的分离测定方法及生成转化研究

中国科学院生态环境研究中心  刘景富研究员

刘景富团队利用浊点萃取分离富集纳米银和银离子，并进行纳塑料的浊点萃取富集及Py-GC/MS测定，发现纳塑料的浊点萃取无粒径歧视；刘景富研究员在含银纳米颗粒的圆盘固相萃取实验发现萃取前后粒径不变。在纳米颗粒的分离测定方法方面，将色谱图中的保留时间换算成粒径，得到纳米颗粒的质量与粒径分布图，利用纳米颗粒的质量与粒径分布图，可一步实现纳米材料的尺寸表征、质量定量和组成鉴定。

6.纳米材料表面功能化修饰及对环境污染物去除研究

华北电力大学   王祥科教授

王祥科教授在研究中提到大量的放射性核素释放到环境中，给环境污染和人类健康带来了重大威胁，放射性核素和环境介质的相互作用与其化学形态(chemical species)与微观结构密切相关。同时提到EXAFS方法研究重金属离子在固体表面的微观结构，理论计算化学在环境化学中可作分子水平分析表征作用。

7.溶解性有机质对纳米颗粒环境行为与生物效应的影响

浙江大学   林道辉教授

林道辉教授在研究中提到纳米材料广泛应用，自身尺寸效应具有毒性，暴露到环境中引发潜在毒性，环境组分与纳米颗粒相互作用影响其风险，亟需科学分析纳米颗粒(NPs)的环境风险。溶解性有机质(DOM)是非常活跃的重要环境组分，林道辉教授工作阐明DOM对NPs环境行为与生物效应的影响。林道辉团队的研究显示：

（1）溶解性有机质强烈吸附在疏水性纳米颗粒表面，抑制其团聚，提高其在水和土壤环境中的迁移性能；

（2）天然有机质抑制纳米颗粒-生物界面作用, 降低了纳米颗粒的生物效应。而真实环境中纳米颗粒的行为与生物效应是如何仍值得细致探究。

8.环境纳米复合材料的构建、规模化应用及若干纳米限域特性

南京大学   潘丙才教授

潘丙才教授研究了在水中特征污染物深度净化的迫切需求需要发展深度处理技术大背景下引出水处理纳米技术。潘丙才教授研制的复合材料在污染物净化速度与纳米颗粒的稳定性方面有显著提升；而相比常用于重金属净化的离子交换树脂，复合材料在污染物深度净化能力与工作容量方面有十分显著的提升。潘丙才团队还制备系列毫米尺寸复合纳米吸附材料，材料吨级量产，首次实现我国环境纳米复合材料的系列化、规模化生产，发明了基于新材料的工业废水深度处理与回用新技术。

9.天然纳米颗粒物对有机污染物的吸附及光催化转化行为研究

北京大学   朱东强教授

在天然纳米颗粒对污染物环境行为具有重要影响的研究背景下，发现天然纳米颗粒是土壤有机污染物的吸附剂、载体和反应器。在蒙脱石颗粒尺寸对其与四环素间作用的影响探究中发现四环素在11000rpm粘土样品的吸附显著低于其他组分的样品，胶体蒙脱石颗粒形成“卡房”结构，阻碍四环素分子进入粘土层间（Xu and Zhu 2014, J. Environ. Qual.）。在蒙脱石胶体颗粒对四环素光转化的促进效应探究中提出新型有机污染物在粘土表面吸附-转化耦合作用新机制（Xu et al., 2018, Environ. Sci. Technol. Under revision.）。在离子效应控制了溶解性黑碳的空间构型和聚沉行为探究中发现Na⁺和Mg²⁺无法诱导溶解性黑碳的团聚行为，而Ca²⁺易使溶解性黑碳脱稳团聚为解释土壤有机质高含量芳香组分提供了新视角。

10.微纳米尺度物质健康影响评价技术与应用

中国人民解放军军事医学科学院   袭著革研究员

在比较研究各个尺度微纳粒子健康危害的基础上，重点研究了PM2.5和纳米材料，围绕环境中微纳粒子进行健康影响评价的3个关键问题，一是微纳粒子健康危害的靶点和剂量关系，二是是否会吸附环境污染物，放大其危害，三是传统评价技术是否适合纳米粒子。发现了纳米材料可促进细菌之间接合质粒介导的耐药基因转移；揭示了微纳米粒子对血管外膜和内皮细胞结构、功能损伤的特点和规律；定量表征了PM2.5、纳米颗粒物及载带致癌物的尺寸效应和致癌作用；建立了毒理学替代动物线虫的毒性评价技术和环境安全剂量的评价方法。

11.贵金属催化剂催化净化VOC研究

北京工业大学   邓积光研究员

研究在如何提高0.05 wt%Pt/TiO₂催化净化丙酮的性能研究上，发现CeO₂可显著提高0.06 wt% Ag/Mn₂O₃催化净化甲苯的稳定性。分析Ce改性0.05 wt%Pt/TiO₂催化净化丙酮的过程发现丙酮吸附在催化剂表面，在低温下丙酮部分氧化生成甲酸盐物种；随着反应温度的升高，甲酸盐变成碳酸盐物种；最后中间物种完全氧化生成CO₂和H₂O。报告小结得到贵金属-氧化物界面是主要活性位，具有优异的催化净化丙酮性能；调控表面酸碱性，可适当提高催化剂抗CO₂和SO₂性能等结论。

12.微生物即时检测检验技术研究

大连理工大学  刘猛教授

在水(食)源性致病菌的背景下，研究即时检测检验技术，从传统实验室到纸芯片实验室，从传统仪器到微流控纸分析器件。针对致病菌C.difficile的快速检测，利用体外进化技术筛选出具有特异性识别和强结合能力的功能核酸分子；发展了新型的恒温指数核酸扩增方法，实现了识别信号的放大；利用折纸原理，制备了三维纸基微流控芯片，实现了分子识别和信号放大的可控偶联，用于致病菌的快速和高灵敏检测。刘猛教授说他的工作是用体外进化的力量解决环境分析化学问题。

13.纳米砷渣中砷的释放与氧化：可见光的促进作用

中国科学院生态环境研究中心   张静研究员

在研究中总结道砷渣的排放与堆积产生巨大环境危害，光照大大促进了砷渣中砷的释放和氧化，增加环境危害，光照产生活性氧及硫自由基，导致砷和硫的释放与转化，对重金属迁移转化、硫元素的地球化学循环影响，砷渣环境行为的研究对堆存与后处理的指导意义。张静研究员同时还提到下一步工作计划是抑制砷的释放——固化稳定化策略，进一步促进释放——分离回收利用。

14.纳米银材料在水环境中化学转化行为的影响机制研究

南开大学   祝凌燕教授

在研究中提到纳米银材料在水环境中的化学转化（包括氧化溶解和硫化转化）是复杂的异相反应。其中纳米银材料的表面积是影响硫化速率的关键因素之一，纳米银的硫化是以直接硫化为主的过程，阳离子表面活性剂显著促进纳米银线的氧化溶解和硫化转化，纳米二氧化钛促进纳米银的氧化溶解和再还原形成更加小粒径的纳米银，将改变其生物效应。

15.纳米尺度下矿物和有机质相互作用机制及其对重金属环境行为影响

华南理工大学   石振清教授

石振清教授发现铁矿物转化、重金属形态分布以及有机质分布之间的动态耦合影响着重金属环境行为和矿物及有机质稳定性。纳米甚至原子尺度下的微观机制的研究有助于准确的建立宏观环境模型来预测重金属多尺度动力学行为。分子层次上有机质在矿物表面上的分馏机制有助于建立机理模型预测有机质和污染物环境行为。石振清教授通过将重金属和土壤反应的热力学平衡（静态）和动力学反应（动态）有机整合在一起，建立了不同条件下的重金属反应的通用模型；发展的模型有助于预测重金属的生物有效性、环境转化和归宿。

16.过渡金属氧化物@环糊精与有机微污染化合物的催化降解

山东大学   占金华教授

从识别，催化和选择性输出三方面凝练工作。识别：环糊精与有机微污染的主客体相互作用；催化: 过渡金属氧化物纳米材料催化过氧化氢等氧化剂产生氧化性自由基；选择性输出：有机微污染被催化降解为各类小分子酸。

17.石墨烯在典型生物体内的分布、迁移与转化

南京大学   毛亮副教授

主要得到石墨烯能够在水稻根、茎叶累积，石墨烯还能够跨过细胞膜进入叶绿体；暴露于石墨烯的水稻茎叶中羟基自由基的存在，可能是导致水稻茎叶中石墨烯矿化的原因；从土培实验进一步证实了累积的石墨烯在水稻中能被矿化等结论。

18.几种接近实用化的SERS衬底与器件

中国科学院合肥物质科学研究院   孟国文研究员

孟国文教授团队实现对甲基对硫磷农药模拟污染液的快速痕量检测（Huang , Meng*, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 17247 (2015)），搭建了基于“纳米结构光纤探针增强型”便携式器件（Huang, Meng*, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 17247 (2015)；Liu, Meng, Mao,  et al. Nanoscale 8,10607(2016)），研制了“光纤探针增强型”便携式拉曼光谱仪样机，实现了对污染土壤提取液中两种多氯联苯的快速检测。

19.同位素指纹追踪环境中纳米颗粒的来源

中国科学院生态环境研究中心  刘倩研究员

刘倩研究员研究中说道两类重要的环境颗粒态污染物：PM2.5、纳米颗粒物(超细颗粒物)，在目前的认知是不能够通过同位素指纹揭示颗粒物来源，例如Ag同位素指纹不能直接区分天然与工程纳米银（Q. Liu*, G. Jiang*, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 682-686）。而刘倩研究员发现不同污染源具有显著不同的Si同位素指纹，满足同位素溯源的前提条件，利用Si同位素判断重点污染源（Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 1088−1095），并实验利用Si同位素指纹反映了近年北京PM来源的变化。

20.MXene材料对锕系元素的吸附与固定化研究

中国科学院高能物理研究所   石伟群研究员

石伟群研究员以V₂CT_x为示范，首次从实验上证实了MXene材料可用于放射性核素的吸附分离。理论预测了Ti₃C₂T_x与U(VI)具有较强的相互作用，并通过插层和水化处理使Ti₃C₂T_x对U、Th、重金属离子、染料分子的吸附容量大幅提高，并利用MXene的纳米多层结构实现了对放射性核素的高效封装固定。研究了Ti₂CT_x对U(VI)的持续吸附-还原固定行为，低pH条件下仍可实现U(VI)的高效去除，并对还原机理进行了深入研究。

21.无机助催化芬顿反应体系处理有机污染物废水的研究

华东理工大学   邢明阳副教授

邢明阳副教授发现三维石墨烯助催化光芬顿体系可实现中性条件下对有机污染物的有效去除；硫化物助催化芬顿体系可促进铁离子高效循环，实现其对有机污染物的快速高效去除，实现同步氧化还原反应，及暗反应条件下的快速杀菌。同时，邢明阳副教授报告中提到钼粉助催化芬顿体系有望在同步氧化还原、选择性氧化等领域具有应用前景。

22.放射性核素的环境行为及其在纳米材料上富集机理

华北电力大学   孙玉兵副研究员

在研究中，孙玉兵研究员提到放射性核素的环境行为不仅与土-水-气界面相关，而且放射性核素本身的化学形态和微观结构也密切相关。而我们如何准确地预测和评估放射性核素在环境化学行为？孙玉兵团队通过批次实验法研究放射性核素在不同环境条件下吸附过程，然后利用表面络合模型模拟其吸附过程，并揭示在不同环境介质中的作用机理，能够很好地预测放射性核素在实际环境介质中的化学行为。

23.原位红外在研究光催化表面反应中的应用

中国科学院化学研究所   陈春城研究员

陈春城研究员验证了氢键吸附在{001}面的水分子优先氧化，得到水分子在不同的晶面上有不同的吸附模式及只有氢键吸附在{001}的水分子被氧化的结论。同时发现配位吸附的水不利于被空穴氧化，氢键吸附有利于空穴氧化的发生，并不是吸附越强越有利于氧化反应。

24.还原铬渣堆存过程中的Cr(VI)缓释机理及解决策略

华南理工大学   刘炜珍副教授

刘炜珍副教授认为钙矾石是还原堆存铬渣中影响Cr(VI) 缓释的关键物相之一，它含有晶格态的Cr(VI)，但是在环境CO₂等条件下容易晶格破坏从而释放出Cr(VI)。钙矾石对于还原堆存铬渣的环境风险评估具有重要意义。还原铬渣缓释Cr(VI)的解决策略：用碳酸盐作为调控剂，可导致钙矾石的物相转变，从而释放Cr(VI)。水热条件是必须的，可以促进晶体生长，使铬渣彻底脱毒并回收Cr(VI)。

25.半导体光能驱动催化降解污染物界面机制的研究

南开大学   展思辉教授

展思辉教授通过材料界面化学官能团调控实现目标污染物的靶向去除和催化氧化一体化。在同轴Fe@TiSi快速净化典型染料废水实验中发现γ-Fe₂O₃核心可以使纤维催化剂更容易从水中回收，Si的掺杂可以提升光催化降解效率，掺杂硅可以扩展可见光吸收,抑制空穴−电子重组,并缩小TiO₂的带隙。

26.基于光催化技术处理污水中铬离子的研究

上海师范大学   卞振锋教授

卞振锋教授团队发现通过表面简单修饰，可实现选择性吸附/脱附六价铬/三价铬离子，提高光催化还原速率，抑制光催化剂失活。