纳米材料在环境污染物高效去除中的应用

引言：由于工业化、城市化进程的加速发展，导致环境污染的程度呈持续加剧的形势，严重危害人类身体健康及生态环境。而传统环保方法的缺点多为效果不尽人意、成本高和产生次级污染等问题。纳米技术由于其独有的物化特性和生物学特性，能为解决各类污染提供一种崭新的方法以高效净化各种污染物质。近年来，纳米技术在环境保护方面研究及应用已有许多突出成就，是环境科学研究领域的热点。

一、纳米材料在水体污染物去除中的应用

1.1 去除重金属离子

重金属离子是水环境中最常见的污染物之一，有着较强的毒性并且不易降解，处理重金属离子的方法主要包括吸附、沉淀和氧化还原反应。其中纳米级的零价铁(nZVI)广泛被用于还原水中的重金属离子，将重金属离子从高价态还原成低价或者无定形态的离子，降低重金属离子的危害性并减慢其扩散的速度。此外，由于nZVI 表面大量的活性位点可以将重金属离子物理、化学吸收。另外，例如纳米氧化铝和纳米二氧化钛等其他纳米颗粒物也都有很好的吸附性能，可以用于吸附水中的大量重金属离子。

1.2 去除有机污染物

有机污染物是最主要的水质危害成分之一，其范围包括农药、染料、酚类等。去除该类污染物的技术主要是纳米技术，最常见的方式为吸附、催化氧化以及光催化分解。纳米活性炭因其具有超大的比表面积和复杂的微结构，能够将有机污染物吸附并去除。此外，纳米二氧化钛(TiO2)是一种光催化纳米材料，在紫外光照射下，能够产生强氧化性的氢过氧化物，降解有机污染物成为无毒的CO2、H2O。

1.3 应用原理与潜在优势

纳米物质在环境污染治理方面存在的主要思路就是利用其自身的特殊理化性质对污染物展开影响。其最大的优势就是能够快速高效地去除各种污染物并适用于各种不同类型的污染源。另外，这种纳米物可以用改变其结构和成分的办法来专门针对某些污染物的治理，进而在一定程度上优化其对解决问题的准确性与效率。而且借助这种材料的应用能够降低化合药品的应用量。此外还可以降低产生二次污染的风险。

二、纳米材料在大气污染物去除中的应用

2.1 去除颗粒物

大气中细微颗粒物是造成雾霾天的主要因素，微粒物对人的身心健康以及自然环境等会造成非常不利的影响。而纳米技术可用于微粒物的处理，发挥较大的作用。纳米纤维具有大比表面、细小的结构尺寸，因此可高效捕获、吸附空气中的细微颗粒物。例如静电纺丝法制备的纳米纤维，孔结构密度较高、过滤效果明显，用于去除空气中小颗粒物 PM2.5 等。还有具有磁性的纳米材料，如纳米 Fe3O4，可以通过外加磁场等迅速完成对细微颗粒的分选、收集等。

2.2 去除有害气体

SO2、NOx 等挥发性有机物等有毒有害的气体是大气污染的主力军。利用纳米材料的催化氧化、吸附作用及光催化作用去除大气中的污染气体。比如，利用活性较高的纳米贵金属催化剂(如Pt、Pd 等)可将 SO2、NOx 氧化为易处理的硫酸、硝酸。纳米级分子筛具有三维有序的结构、较大的比表面积，易于捕获有毒有害的气体分子。再者，纳米级的 TiO2 因受光催化作用可产生光电子-空穴对，使 VOCs 被氧化为无污染的化合物。

2.3 应用原理与潜在优势

借助纳米材料净化大气污染物主要是基于纳米材料特殊的结构和表面特征实现对其颗粒物污染物和有毒气体等的物理吸附、化学吸附或催化剂的作用处理。其主要优点是能有效地去除大气污染物质，对低浓度污染物的效果尤为显著；纳米材料净化效率高、净化装置运行效率高，可节能降耗；有的纳米材料还有稳定性好、再生性强的特点，可在循环中再生使用，节约资源。

三、纳米材料在土壤污染物去除中的应用

3.1 修复重金属污染土壤

现阶段，土壤重金属污染是一大环境问题，而基于纳米技术的土壤修复是解决重金属污染土壤的常用手段，其通常通过稳定化合物状态或者活化等方式实现。纳米零价铁(NZVI)、纳米羟基磷灰石(n-HA)等能够与土壤中的重金属结合成不溶解的化合物，降低土壤中重金属的迁移性和可利用性；还可以通过调节土壤的物理化学属性如土壤pH、土壤有机质的改变，调节重金属的存在形态及其分布来提升土壤自净能力。

3.2 去除有机污染物污染土壤

含有毒性的农业机器或油料产品残留物会对土体环境和生产的农作物安全造成危害，而纳米能很好解决污染问题，主要包括吸附、降解、催化氧化等。纳米碳粒可以高效地吸附并消解土壤中存在的污染物质。TiO2、Fe0 等小型粒子可以通过光反应或化学反应来处理这些污染源，将其降解为无机物质。同时，有些纳米制品会与土壤中存在的细菌结合，改善了对有机污染源的处理效率。

3.3 应用原理与潜在优势

利用纳米材料处理土壤污染物主要是因为其通过与土壤和污染物发生相互作用，可以实现对土壤污染物的固化、迁移或者破坏。该技术的最大优势就是可以深入到土壤的内部，并和污染物充分接触，进而提高净化效率。除此之外，采用纳米材料对土壤损伤程度较小，并且减少清理成本。此外，某些纳米物质还具有较好的环境亲和性和生物性，因此，对土壤生态环境带来的影响较小。

四、纳米材料在环境污染物去除应用中面临的挑战

其一稳定性问题，在环境中，纳米材料通常会受到稳定性能方面的困扰，由于其容易聚集而产生，使得其表面积接触降低、活化度降低，导致纳米材料本身对于污染物质的吸附能力降低。同时在环境中介质中会造成其化学改变或者是物理改变，从而使自身结构及其功能破坏，降低其稳定性和持久性。其二环境安全性问题，环境安全性。环境安全性是纳米材料应用于环保领域的关键因素。纳米颗粒因为尺寸小、活性强导致其具有独特的生物反应性及环境活性，这些特性在生态环境中可能会对其中的生物造成危害，例如生物存在有毒副作用。例如纳米颗粒可能会被吸收到体内聚集在身体内部的器官或者组织之上，对正常的器官运作造成破坏。其次是纳米物质在自然界中的迁移及转化可能会造成不良影响。

五、纳米材料在环境污染物去除应用中解决策略

其一提高纳米材料稳定性的策略，可以提高纳米物稳定性的方式为保护层加固，即在纳米颗粒表面引入稳定剂或者基质，防止其团聚，如用合成物、表界面活性化等将纳米颗粒包裹，形成稳定化的微粒分布结构。此外，还可以调整纳米物的制备方法及制备环境，来获得稳定化的纳米物。其二保障纳米材料环境安全性的策略，为保障纳米材料的环境安全性，应加强纳米材料的环境生态效应研究，全面把握其对生命机体、生态环境的干扰，对纳米材料的设计与生产，需要在考虑其环境友好的特性及生物相容性的情况下，选择无毒或有毒材料及生产工艺，并建立完善的纳米材料环境安全性评价体系，科学评估其在环境中的应用。

结束语：纳米技术在环保方面的治理效率以及独特优势已然体现，这为我们现如今面临的严重环境污染提供了一个新的视角。与此同时，然而其在现实中的运用也依然存在诸多困难之处。但是我们依然可以相信，只要持续进行改善其稳定性能以及使其对环境带来的影响具有安全性，更主要的是其生产成本可以降低到大范围的使用，那么到那个时候，这项纳米技术必定会在环保方面有更重要的作用，从而实现一个更加绿色、健康、可持续的生态环境的社会。

参考文献：

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