納米材料在環境治理中的應用與研究進展

屈思宇 蔡露 楊曉雨 唐宇 許定達

摘????? 要：納米材料具有高硬度、高強度、高穩定性等優點，通過大量的文獻調研發現，納米材料在環境保護中的作用巨大，已成為國內外環境工作者們的研究重點。通過分析納米材料的現狀以及在水環境、土壤環境、大氣環境治理等方面中的應用，總結了納米材料在環境治理中的應用，同時展望了新型納米材料的合成及在材料科學、醫藥學、催化科學、分析分離科學等多個領域的應用以及一維碳化物納米材料的研究前景。

關? 鍵? 詞：納米材料；環境保護；治理；污染

中圖分類號：X51/593?????? 文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0868-04

隨著全世界工業化發展加快，全世界都面臨著嚴重的環境污染問題。但隨著納米材料的逐漸發展和新型納米材料的更新，改變了人們治理環境的方式，同時增強了人類保護環境的能力。納米材料為改善環境質量和減少新的污染源產生提供了技術支撐。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成的材料[1]。納米材料常以材料表面上的原子個數在總的原子個數中的占比大和量子尺寸定律影響材料的各種物理化學性能，使納米顆粒具有不同于其他材料的性質。

1? 納米材料的研究現狀

1.1? 納米材料的發展歷程

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成的材料，是10～100個原子在空間中緊密排列在一起的尺度大小[2]。

自20世紀70年代納米材料出世以來，從研究特點和內涵來看，大致可分為3個階段：1990年之前，科學家主要是在實驗室里利用各種方法探索納米材料的特性，制備各種化學材料的納米顆粒或微小合成塊體，研究納米材料表征評價的方法[3]； 1990—1994年，人們在納米材料方面的研究熱點是利用納米材料的物理化學特性，研究探索納米材料在材料運用中的物性和新型納米復合材料的設計，用來合成不同性能的新型納米復合材料；1994年至今，人工組裝合成的新型納米結構材料體系——納米組裝體系成了納米材料研究主導方向。它的內涵基本是在一維、二維和三維空間中，以微粒納米和由它們所構成的納米絲管為基本組成單元進行排列組裝，構成新的納米結構體系。

20世紀80年代末，我國開始大力發展納米材料技術的研究，90年代末，越來越多的公司選擇從事有關納米材料的生產和技術開發運用，國家政府也不斷增加納米材料領域的資金投入，納米材料產業逐漸興起。進入21世紀后，我國的納米材料產業進入比較穩定的發展階段，各種納米產業包括納米材料相關的新材料產業法規和產業標準也相繼頒布，納米行業的環境逐漸變好，競爭更加有序。

1.2? 納米材料的發展現狀

納米材料是新世紀的最新科研成果，這種材料在社會發展中得到了廣泛的應用，并具有成為未來社會各個領域生產中主要應用材料的發展趨勢。納米材料應用在信息產業、環境產業、能源環保、生物醫藥等領域，在幫助產品的進步與發展方面作出了巨大的貢獻，為人們的社會發展、科研進步、醫藥發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，應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、圖像和信噪比好，而且記錄密度高，更加精準。科學家們借助納米材料的許多特殊性能，在自己的研究領域都取得了質的飛躍，使納米材料的應用越來越廣泛化。

納米材料產業的集群化、聚集化已經成為我國納米材料發展的趨勢，國家和政府在未來應更加注重納米技術科技成果轉化、納米材料產業制度優化、納米材料發展資本孵化及創新能力的可持續發展等，加快突破在技術上制約納米材料產業化發展中的困難。

納米材料向著更適配元件的小型化、智能化、高集成和超快傳輸等方向發展，也將圍繞生物醫藥、新能源、半導體、航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等新興領域研發新型功能材料。

2? 納米材料在環境治理中的應用

2.1? 納米材料在水環境污染治理中的應用

納米技術按其在水環境污染治理中的作用原理可將處理方法分為三大類：過濾、催化、吸附[4]。該納米技術以其極高的降解效率和特殊的適應性，為全世界環境材料科學工作者所看重。大量實驗表明，納米Cu2O、CuFeO2、TiO2等作為光反應的催化劑，催化氧化水中的有機污染物，使其在陽光下快速分解轉化[5]。至今，納米TiO2已經能處理80余種有毒污染物質，能很快完全催化氧化水中的各種有機物質，使其變為水和二氧化碳等無毒無害的物? 質[6]。中科院利用納米TiO2粉末，在太陽光下對十二烷基苯磺酸鈉水溶液和酚水溶液進行光催化反應，在多云天氣條件下進行，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，沒有二次污染物產生[7]。

污水中重金屬離子對人體的危害非常大，但它在環境中的流失對資源來說也是一種浪費。納米粒子能通過光反應生成還原能力很強的光電子，其對水中的重金屬離子有很強的吸附能力。例如，納米TiO2可以吸附表面具有高氧化態的Hg、Ag、Pd等對人體有害的重金屬離子，將其還原成微小的金屬晶體，這不僅消除了水環境中重金屬離子的毒性，又回收了重金屬離子[8]。在水環境治理中納米復合材料成了不可或缺角色，2018年鄭典元[9]等針對銀納米線石墨烯復合材料制備及其抑菌能力等研究熱點，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合材料的研究方法，得到了納米線負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合材料成為過濾清潔水膜備選材料具有工業化生產前景，為納米材料在水環境保護和治理中的應用創造了更好的條件。

2.2? 納米材料在土壤環境污染治理中的應用

最近幾年，我國土壤污染現象越來越突出，嚴重影響了農業的穩定發展。人們長期居住于污染的土壤中，食用污染土壤中生長的蔬菜、糧食等，都會對身體帶來較大的傷害，威脅生命健康，因此如何對污染的土壤進行治理成為很多人關注的問題。為了解決這一問題，我國政府將納米材料應用到土壤環境污染治理中，從污染治理和土壤修復兩個方面入手，充分發揮和利用納米材料的應用優勢，以改善土壤污染問題，從而為人們構建更加安全和舒適的生活環境。

應用實踐表明，納米材料在降解有機污染物的過程中，在修復有機污染土壤的研究領域表現出極高的表面吸附能力、催化降解和氧化還原性能，是傳統修復技術難以超越的。一般情況下，納米材料的重合和鈍化，會影響土壤介質中納米材料的反應活性、反應穩定性和自身的遷移能力，許多改性方法制造的納米材料應運而生。因此，在土壤環境污染治理方面，納米材料的可行性和有效性非常高，不僅能夠對被污染的土壤起到很好的凈化作用，還能夠吸附土壤中的重金屬離子，為實現土壤的有效修復發揮出重要作用[10]。

2.3? 納米材料在大氣環境污染治理中的應用

大氣中含有高濃度的SO2、H2S等硫化物時會嚴重影響人體健康，利用納米TiO2光催化所產生的活性氧，可將這些氣體氧化，生成帶有SO42-的化合? 物[11]。汽車排放的尾氣當中含有大量直接污染人類生活環境的氣體，對人的呼吸道的健康有很大的影響。國家和政府大力支持替代燃油，或治理汽車尾氣污染的新型材料的研發，對凈化人類生存環境的意義重大。例在汽車尾氣傳感器的制備和裝配中應用納米復合材料，通過監測汽車尾氣排放情況，通過改革工藝、調整空燃比或減少富油燃燒，及時報警污染物超標排放，達到減少大量燃料消耗和有毒有害氣體排放的目的。許多納米稀土對汽車燃油所排放的一氧化碳、氮氧化物等具有較好的催化轉化作用，其可以作為汽車有毒有害尾氣的催化劑替代比較昂貴的重金屬催化劑進行反應[12]。

汽車排放的尾氣中，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，若在汽車燃油燃燒時加入納米級的催化劑，不僅能使燃油完全燃燒，能提高能源利用率，還能不產生一氧化硫氣體，并使氣態硫轉化為固態硫化物加以去除。如使用納米Fe2O3作為汽車燃油燃燒的納米級催化劑，汽車運作時經催化的燃油燃燒產生的硫的含量很小， 這不僅節約了燃油資源，提高了資源的綜合利用率，也減少了汽車有害氣體排放所造成的環境污染?? 問題[12-13]。

3? 納米材料的發展前景及未來展望

3.1? 發展前景

在快速發展的21世紀，生物醫藥、資源利用、信息處理、環境污染治理和科學技術等相關的行業都對納米材料有更高的需求，對納米材料的大小要求非常嚴格，更加智能化、便攜化成為納米材料研究的最新方向，國防安全、航空航天以及先進技術等對納米材料的要求越來越高[13]。新型材料革新、納米材料運用以及在這些問題的基礎上所引起的納米材料產品的革新，是未來十幾年對社會發展、科學技術振興、國家綜合實力等具有重大影響力的戰略性研究領域，將起到非常至關重要的作用[14]。

我國在納米科學技術研究領域的起步時間較早，與國際上納米技術研究與運用基本上是同步進行的。我國具備豐富的資源與大量新型納米科技研究的條件，國家的大型科研院所以及相關納米技術企業對納米材料領域研究的步伐在不斷加快[15-16]。在納米技術研究方面，我國某些領域已領先國際平均水平。這些都為納米科學技術的飛躍式發展提供了前提條件。

納米材料將在我國的經濟發展、能源結構調整和資源循環等方面扮演十分重要的角色，納米技術將發揮十分重要的作用。前段時間，結合政府和國家的戰略性要求，在能源運用、資源結構調整、環境污染防治以及水處理等行業應用納米材料和技術已經有了一個較好的開始。用于水環境污染處理的納米絮凝劑等產品也相繼開發成功，在這些產品的基礎上也發展了一系列的新型納米產業[17-20]。

3.2? 未來展望

納米材料在各個行業的應用范圍廣泛，隨著醫藥技術、科技制造技術、能源利用技術等行業對納米材料的高要求，納米材料與技術的應用市場需求增長，行業的發展前景好。但就目前的發展形勢而言，我國市場中的納米材料多為較低端的材料，高端納米材料在市場中的占有率很低。

目前納米材料在環保領域已有較大的作用，納米凈化劑、納米絮凝劑、納米固硫劑等新型環保產品相繼被開發，納米材料的應用范圍正在逐步擴大，其市場規模持續增長，平均每年保持20%左右的速率快速增長，2020年我國納米行業市場規模達到了1 700億元左右，預計2024年納米材料的市場規模將突破2 800億元。

在經濟蓬勃發展的現代社會，納米材料的發展和運用將會更加全面快速，新型納米材料將應用于以下幾個方面：在材料科學中的應用；在醫藥學中的應用；在催化科學中的應用；新型納米材料的制作及在分析分離科學中的應用。對新型納米材料的研究將從以下幾個方面進行：開發成本低、效率高、無害環保的納米材料合成方法；材料制備流程有序規模化；納米材料的特性由單一到集成；納米材料的應用從理論到實際。

4? 結束語

納米材料在環境治理中能通過各種途徑釋放到環境中，成為納米廢棄物，污染環境。就目前來說，對于納米材料運用中潛在風險的研究相當缺乏，還未建立高效處理納米廢棄物的管理機制。所以對于新型納米材料的開發和納米材料在環境治理中的應用與研究將會更加深入，繼續堅持走綠色發展道路，堅持可持續發展，創造人與自然和諧共生的現代化社會。

參考文獻：

[1] 張立德， 牟季美. 納米材料和納米結構[M]. 北京： 科學出版社， 2001.

[2] 郭玉婷， 葛廣路. 納米材料的歐盟定義及安全性評估[J]. 中國個體防護裝備， 2012（2）： 41-45.

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

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

[5] 豆俊峰， 鄒振揚， 鄭澤根. 納米TiO2的光化學特性及其在環境科學中的應用[J]. 材料導報， 2000， 14（6）： 35-37.

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

[7] 韓瑋. 綠色化學、納米技術與環境保護[J]. 中國環保產業， 2004（8）： 46-48.

[8] 于冰川.光催化納米材料在環境保護中的應用[J].石油化工，2021，34

（5）：491-496.

[9] 鄭典元， 孫成祥. 銀納米線石墨烯復合材料制備及其抑菌能力研究

[J]. 連云港師范高等專科學校學報， 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中的應用

分析[J]. 粘接， 2021， 47（7）： 75-79.

[11] 岳宗愷， 周啟星. 納米材料在有機污染土壤修復中的應用與展望

[J]. 農業環境科學學報， 2017， 36（10）： 1929-1937.

[12] 樊丁琿. 稀土復合氧化物汽車尾氣催化劑的制備與表征[D]. 哈爾

濱： 哈爾濱工業大學， 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

用[J]. 森林工程， 2007， 23（5）： 19-21， 70.

[14] 鄧勇航. 納米材料在環境保護領域的應用研究[J]. 廣西輕工業，

2008， 24（2）： 16-17.

[15]佚名. 納米產業化：我國存在跨越式發展機遇[J]. 稀有金屬，2021（3）：25.

[16]盛國棟，楊世通，郭志強，等. 納米材料和納米技術在核廢料處理中的應用研究進展[J]. 核化學與放射化學，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用研究[D]. 濟南：山東大學，2011.

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

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

[20]許海燕，孔樺. 納米材料及其在生物醫學工程中的應用[J]. 國外醫學（生物醫學工程分冊），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