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揭开神秘面纱:运用于环境修复的纳米材料

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揭开神秘面纱:运用于环境修复的纳米材料

发布日期:2016-12-19 作者:袁先生 点击:

我国在环境修复方面,特别是在即将大规模启动的土壤/地下水的修复方面,缺乏大型的、成功的修复案例和经验,在将先进的修复技术从研发到运用方面还有很长的路要走。本刊编辑对话中国科学院烟台海岸带研究所袁国栋研究员,揭开纳米材料应用于环境修复的神秘面纱,展望这种材料在修复领域的运用前景。

纳米材料、C3反应 巨大比表积助力环境修复

土壤纳米颗粒泥浆(上)用于去除日本水塘里的磷(下图)

中国生态修复网:您一直致力于研究C3相互反应以及环境修复纳米材料的应用,请您先介绍一下纳米材料运用于环境修复的理论基础?

袁国栋老师:环境污染主要是由于人类不合理的生产活动和消费方式造成的。例如,不计全民健康代价的金属矿产开采造成的重金属污染,煤、油、气等化石燃料的过量使用带来的复合污染,化工、农药等行业导致的点源和面源污染。在工业革命甚至二战以前,污染物的排放量比较小,自然界的C3反应(clay-carbon-contaminant interactions)能够充分地吸附、固定、转化污染物,有效地降低它们对人体健康的危害。

粘土矿物、有机质(简称碳)及其相互反应形成的复合体由于颗粒小(在微米甚至纳米范围),有巨大的比表面积。例如,蒙脱石和水铝英石的比表面积可达1000平方米/克, 一调羹材料的表面积比一个足球场还要大。同时,粘土矿物、碳及其复合体有比较高的空隙度,带有表面电荷,还有Al-OH、Si-OH、 COOH等表面功能团。

表面积、空隙度、表面电荷、功能团这四个属性决定了粘土矿物-碳复合体的物理和化学活性,是吸附、固定、转化各类污染物以及用于环境修复的理论基础。同样,人工合成的纳米材料也是因为和巨大的表面积和形状相关的光学、电子、催化、磁性特征被用环境修复。例如,零价纳米铁是很好的还原剂,而纳米TiO2在光子作用下产生的价带空穴则是极强的氧化剂,对众多污染物可以说是无坚不摧。

纳米材料进行土壤修复 大规模应用为时尚早

中国生态修复网:纳米技术的发展历史很短,但在环境科学领域已经得到了广泛的应用。前不久有新闻报道一种单晶多孔光催化纳米材料问世,可以有效去除废水中的重金属六价铬,4月17日发布的我国《土壤环境状况公报》指出我国土壤重金属污染严重,那么纳米材料是否可以应用于土壤修复,有什么难点?

袁国栋老师:虽然天然的纳米颗粒在人类出现以前就存在,人工合成纳米材料的历史却很短。Kroto、Curl、Smalley等在1985年首先合成C60纳米球,3人因此分享1996年的诺贝尔化学奖。在过去的10多年里,纳米材料用于环境净化和修复的报道层出不穷,在空气净化、废水处理、土壤修复等方面都有成功的例子。如TiO2等光催化材料已广泛用于空气净化、零价纳米铁已用于地下水和土壤中有机污染物的降解、核-壳结构的Mn-Fe/MnO2纳米材料用于去除水中的重金属。

我国部分农地土壤重金属污染严重,这是事实。天然纳米颗粒(如一些粘土矿物)和合成的金属氧化物纳米材料已经被证明在降低重金属的移动性和生物有效性方面有效果。但是,能够经济有效地修复重金属污染土壤的技术还处在研究和试验阶段,目前还难以大规模推广应用。

原因是多方面的。第一,没有一种技术适用于所有土壤类型;第二,土壤修复专家多数在研究机构和大学,不直接承担土壤修复项目;第三,重金属污染土壤修复的效果及副作用还缺乏长期田间试验的证实。除了这些技术原因,更为困难的是,要不要修复重金属污染土壤、谁来支付修复费用这些根本性的问题还缺乏顶层设计和切实可行的行动计划。但是,追求蓝天、碧水、净土、健康是一代比一代更为强烈的民意。

政府有责任增加在土壤修复方面的研发投入,以期在5–10年时间内产生一批比较成熟的技术,可以在不同土壤类型和农业生产特点的地区推广使用。


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