纳米材料在环境治理中的应用与研究进展

屈思宇 蔡露 杨晓雨 唐宇 许定达

摘      要：纳米材料具有高硬度、高强度、高稳定性等优点，通过大量的文献调研发现，纳米材料在环境保护中的作用巨大，已成为国内外环境工作者们的研究重点。通过分析纳米材料的现状以及在水环境、土壤环境、大气环境治理等方面中的应用，总结了纳米材料在环境治理中的应用，同时展望了新型纳米材料的合成及在材料科学、医药学、催化科学、分析分离科学等多个领域的应用以及一维碳化物纳米材料的研究前景。

关  键  词：纳米材料；环境保护；治理；污染

中图分类号：X51/593       文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2024）06-0868-04

随着全世界工业化发展加快，全世界都面临着严重的环境污染问题。但随着纳米材料的逐渐发展和新型纳米材料的更新，改变了人们治理环境的方式，同时增强了人类保护环境的能力。纳米材料为改善环境质量和减少新的污染源产生提供了技术支撑。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[1]。纳米材料常以材料表面上的原子个数在总的原子个数中的占比大和量子尺寸定律影响材料的各种物理化学性能，使纳米颗粒具有不同于其他材料的性质。

1  纳米材料的研究现状

1.1  纳米材料的发展历程

纳米材料是指在三维空间中至少有一维在1～100 nm范围的材料或者由其作为基本组分构成的材料，是10～100个原子在空间中紧密排列在一起的尺度大小[2]。

自20世纪70年代纳米材料出世以来，从研究特点和内涵来看，大致可分为3个阶段：1990年之前，科学家主要是在实验室里利用各种方法探索纳米材料的特性，制备各种化学材料的纳米颗粒或微小合成块体，研究纳米材料表征评价的方法[3]； 1990—1994年，人们在纳米材料方面的研究热点是利用纳米材料的物理化学特性，研究探索纳米材料在材料运用中的物性和新型纳米复合材料的设计，用来合成不同性能的新型纳米复合材料；1994年至今，人工组装合成的新型纳米结构材料体系——纳米组装体系成了纳米材料研究主导方向。它的内涵基本是在一维、二维和三维空间中，以微粒纳米和由它们所构成的纳米丝管为基本组成单元进行排列组装，构成新的纳米结构体系。

20世纪80年代末，我国开始大力发展纳米材料技术的研究，90年代末，越来越多的公司选择从事有关纳米材料的生产和技术开发运用，国家政府也不断增加纳米材料领域的资金投入，纳米材料产业逐渐兴起。进入21世纪后，我国的纳米材料产业进入比较稳定的发展阶段，各种纳米产业包括纳米材料相关的新材料产业法规和产业标准也相继颁布，纳米行业的环境逐渐变好，竞争更加有序。

1.2  纳米材料的发展现状

纳米材料是新世纪的最新科研成果，这种材料在社会发展中得到了广泛的应用，并具有成为未来社会各个领域生产中主要应用材料的发展趋势。纳米材料应用在信息产业、环境产业、能源环保、生物医药等领域，在帮助产品的进步与发展方面作出了巨大的贡献，为人们的社会发展、科研进步、医药发展带去了很好的辅助作用。纳米材料作为一种新型材料物质，应用在生活的各种地方，用纳米材料制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度高，更加精准。科学家们借助纳米材料的许多特殊性能，在自己的研究领域都取得了质的飞跃，使纳米材料的应用越来越广泛化。

纳米材料产业的集群化、聚集化已经成为我国纳米材料发展的趋势，国家和政府在未来应更加注重纳米技术科技成果转化、纳米材料产业制度优化、纳米材料发展资本孵化及创新能力的可持续发展等，加快突破在技术上制约纳米材料产业化发展中的困难。

纳米材料向着更适配元件的小型化、智能化、高集成和超快传输等方向发展，也将围绕生物医药、新能源、半导体、航空航天、新型军事装备及先进制造技术等新兴领域研发新型功能材料。

2  纳米材料在环境治理中的应用

2.1  纳米材料在水环境污染治理中的应用

纳米技术按其在水环境污染治理中的作用原理可将处理方法分为三大类：过滤、催化、吸附[4]。该纳米技术以其极高的降解效率和特殊的适应性，为全世界环境材料科学工作者所看重。大量实验表明，纳米Cu2O、CuFeO2、TiO2等作为光反应的催化剂，催化氧化水中的有机污染物，使其在阳光下快速分解转化[5]。至今，纳米TiO2已经能处理80余种有毒污染物质，能很快完全催化氧化水中的各种有机物质，使其变为水和二氧化碳等无毒无害的物  质[6]。中科院利用纳米TiO2粉末，在太阳光下对十二烷基苯磺酸钠水溶液和酚水溶液进行光催化反应，在多云天气条件下进行，12 h后将苯酚浓度  （0.5 mmol·L-1）降解为0，将十二烷基苯磺酸钠   （1 mmol·L-1）降解完全，没有二次污染物产生[7]。

污水中重金属离子对人体的危害非常大，但它在环境中的流失对资源来说也是一种浪费。纳米粒子能通过光反应生成还原能力很强的光电子，其对水中的重金属离子有很强的吸附能力。例如，纳米TiO2可以吸附表面具有高氧化态的Hg、Ag、Pd等对人体有害的重金属离子，将其还原成微小的金属晶体，这不仅消除了水环境中重金属离子的毒性，又回收了重金属离子[8]。在水环境治理中纳米复合材料成了不可或缺角色，2018年郑典元[9]等针对银纳米线石墨烯复合材料制备及其抑菌能力等研究热点，采用了以聚乙烯基吡咯烷酮、乙二醇、氯化钠、硝酸银等为原材料， 采用水浴法合成银纳米线石墨烯复合材料的研究方法，得到了纳米线负载在石墨烯上分布均匀， 材料具有高比表面积与吸附能力、有较好的抑菌能力，最后展望了银纳米线石墨烯复合材料成为过滤清洁水膜备选材料具有工业化生产前景，为纳米材料在水环境保护和治理中的应用创造了更好的条件。

2.2  纳米材料在土壤环境污染治理中的应用

最近几年，我国土壤污染现象越来越突出，严重影响了农业的稳定发展。人们长期居住于污染的土壤中，食用污染土壤中生长的蔬菜、粮食等，都会对身体带来较大的伤害，威胁生命健康，因此如何对污染的土壤进行治理成为很多人关注的问题。为了解决这一问题，我国政府将纳米材料应用到土壤环境污染治理中，从污染治理和土壤修复两个方面入手，充分发挥和利用纳米材料的应用优势，以改善土壤污染问题，从而为人们构建更加安全和舒适的生活环境。

应用实践表明，纳米材料在降解有机污染物的过程中，在修复有机污染土壤的研究领域表现出极高的表面吸附能力、催化降解和氧化还原性能，是传统修复技术难以超越的。一般情况下，纳米材料的重合和钝化，会影响土壤介质中纳米材料的反应活性、反应稳定性和自身的迁移能力，许多改性方法制造的纳米材料应运而生。因此，在土壤环境污染治理方面，纳米材料的可行性和有效性非常高，不仅能够对被污染的土壤起到很好的净化作用，还能够吸附土壤中的重金属离子，为实现土壤的有效修复发挥出重要作用[10]。

2.3  纳米材料在大气环境污染治理中的应用

大气中含有高浓度的SO2、H2S等硫化物时会严重影响人体健康，利用纳米TiO2光催化所产生的活性氧，可将这些气体氧化，生成带有SO42-的化合  物[11]。汽车排放的尾气当中含有大量直接污染人类生活环境的气体，对人的呼吸道的健康有很大的影响。国家和政府大力支持替代燃油，或治理汽车尾气污染的新型材料的研发，对净化人类生存环境的意义重大。例在汽车尾气传感器的制备和装配中应用纳米复合材料，通过监测汽车尾气排放情况，通过改革工艺、调整空燃比或减少富油燃烧，及时报警污染物超标排放，达到减少大量燃料消耗和有毒有害气体排放的目的。许多纳米稀土对汽车燃油所排放的一氧化碳、氮氧化物等具有较好的催化转化作用，其可以作为汽车有毒有害尾气的催化剂替代比较昂贵的重金属催化剂进行反应[12]。

汽车排放的尾气中，影响人体健康的有害气体有二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等，若在汽车燃油燃烧时加入纳米级的催化剂，不仅能使燃油完全燃烧，能提高能源利用率，还能不产生一氧化硫气体，并使气态硫转化为固态硫化物加以去除。如使用纳米Fe2O3作为汽车燃油燃烧的纳米级催化剂，汽车运作时经催化的燃油燃烧产生的硫的含量很小， 这不仅节约了燃油资源，提高了资源的综合利用率，也减少了汽车有害气体排放所造成的环境污染   问题[12-13]。

3  纳米材料的发展前景及未来展望

3.1  发展前景

在快速发展的21世纪，生物医药、资源利用、信息处理、环境污染治理和科学技术等相关的行业都对纳米材料有更高的需求，对纳米材料的大小要求非常严格，更加智能化、便携化成为纳米材料研究的最新方向，国防安全、航空航天以及先进技术等对纳米材料的要求越来越高[13]。新型材料革新、纳米材料运用以及在这些问题的基础上所引起的纳米材料产品的革新，是未来十几年对社会发展、科学技术振兴、国家综合实力等具有重大影响力的战略性研究领域，将起到非常至关重要的作用[14]。

我国在纳米科学技术研究领域的起步时间较早，与国际上纳米技术研究与运用基本上是同步进行的。我国具备丰富的资源与大量新型纳米科技研究的条件，国家的大型科研院所以及相关纳米技术企业对纳米材料领域研究的步伐在不断加快[15-16]。在纳米技术研究方面，我国某些领域已领先国际平均水平。这些都为纳米科学技术的飞跃式发展提供了前提条件。

纳米材料将在我国的经济发展、能源结构调整和资源循环等方面扮演十分重要的角色，纳米技术将发挥十分重要的作用。前段时间，结合政府和国家的战略性要求，在能源运用、资源结构调整、环境污染防治以及水处理等行业应用纳米材料和技术已经有了一个较好的开始。用于水环境污染处理的纳米絮凝剂等产品也相继开发成功，在这些产品的基础上也发展了一系列的新型纳米产业[17-20]。

3.2  未来展望

纳米材料在各个行业的应用范围广泛，随着医药技术、科技制造技术、能源利用技术等行业对纳米材料的高要求，纳米材料与技术的应用市场需求增长，行业的发展前景好。但就目前的发展形势而言，我国市场中的纳米材料多为较低端的材料，高端纳米材料在市场中的占有率很低。

目前纳米材料在环保领域已有较大的作用，纳米净化剂、纳米絮凝剂、纳米固硫剂等新型环保产品相继被开发，纳米材料的应用范围正在逐步扩大，其市场规模持续增长，平均每年保持20%左右的速率快速增长，2020年我国纳米行业市场规模达到了1 700亿元左右，预计2024年纳米材料的市场规模将突破2 800亿元。

在经济蓬勃发展的现代社会，纳米材料的发展和运用将会更加全面快速，新型纳米材料将应用于以下几个方面：在材料科学中的应用；在医药学中的应用；在催化科学中的应用；新型纳米材料的制作及在分析分离科学中的应用。对新型纳米材料的研究将从以下几个方面进行：开发成本低、效率高、无害环保的纳米材料合成方法；材料制备流程有序规模化；纳米材料的特性由单一到集成；纳米材料的应用从理论到实际。

4  结束语

纳米材料在环境治理中能通过各种途径释放到环境中，成为纳米废弃物，污染环境。就目前来说，对于纳米材料运用中潜在风险的研究相当缺乏，还未建立高效处理纳米废弃物的管理机制。所以对于新型纳米材料的开发和纳米材料在环境治理中的应用与研究将会更加深入，继续坚持走绿色发展道路，坚持可持续发展，创造人与自然和谐共生的现代化社会。

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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