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摘 要：纳米材料具有较大的微界面和比表面積，能够强化多种界面反应，如氧化还原、表面吸附等，其在污染水体和土壤修复中发挥着越来越重要的作用。为了充分发挥纳米材料的应用优势，应加大对纳米材料的分析和研究，在污染水体和土壤修复中合理运用纳米材料。本文简要介绍了纳米材料，分析了纳米材料在污染水体和土壤修复中的运用。
关键词：纳米材料；污染水体；土壤修复；运用
近年来，环境分子科学不断发展，纳米材料和普通材料相比，在热、电、光、磁等物理性能方面存在较大差异，具有吸收、辐射、催化、吸附等热性。当前，纳米材料已经成为环境污染控制方面研究的重点，通过对污染水体和土壤修复中纳米材料的运用研究，为该领域提供新的发展思路。
一、纳米材料概述
纳米材料是由尺寸介于宏观体系、分子和原子之间的纳米颗粒组成，而这些纳米颗粒的量子效应对于物质的结构和性能有着重要影响，其具有特殊的理化性质，如量子隧道效应、量子尺寸效应、界面效应、小尺寸效应等，而纳米颗粒的化学构成、颗粒分布和比表面积等直接影响着纳米材料的特殊理化性质。由于纳米颗粒具有微孔性和大量微界面，能够有效强化各种界面反应，如重金属的专性吸附反应，在污水净化和重金属污染土壤治理中发挥着越来越显著的作用。纳米材料主要通过化学和物理两种方法来制备，化学方法包括微乳液法、溶胶凝胶法、水热合成法、化学沉淀法、气相沉积法等；物理方法包括机械球磨法、物理粉碎法、真空冷凝法等，在实际应用中，物理方法成本低、操作简单，因此其应用更加广泛，然而和溶胶凝胶法、真空冷凝法相比，物理方法制备的纳米材料颗粒分布不太均匀，产品纯度低。
近年来，国内外关于纳米材料在污染水体和土壤修复中的研究越来越多，例如，纳米型聚合物、零价金属材料、碳质纳米材料、纳米型矿物等纳米修复剂材料在水体净化和土壤污染防治方面的应用取得了一定的成果。
二、纳米材料在污染水体和土壤修复中的运用
1、在污水净化中的应用
一直以来，污水处理都是环境污染治理的重点，而传统污水处理成本高、效率高，甚至会出现二次污染问题。在污水净化方面应用纳米材料，主要包括纳米吸附材料、纳米光催化技术、纳米过滤技术等，纳米材料净化水的机制主要是利用包含不同纳米孔径的处理设备或者特殊纳米孔径水处理膜、活性炭、纤维和纳米磁性物质，对污水中的无机、有机污染物进行氧化还原反应、催化降解或者吸附，将水中污染物除去。半导体光催化剂可以吸收光纤获取能量，还具有催化剂的应用特性，而WO3、Fe2O3、ZnO、TiO2等纳米材料扩展了半导体光催化剂的应用。有研究证明，在污水净化方面运用半导体纳米颗粒可以进行光催化氧化降解，污染物和半导体纳米颗粒发生反应时，纳米颗粒表面会产生很多羟基自由基，而这些羟基自由基具有较强的氧化能力，可将污水中的某些无机污染物和有机污染物氧化降解为水、二氧化碳等无害物质。同时，锐钛矿型纳米级TiO2颗粒的光催化效果较好，有研究曾对污水中大多数有机污染物利用纳米型光催化颗粒进行光催化分解，实验验证光催化纳米颗粒能够将污水中的有机农药、含氮有机物、染料、表面活性剂、羧酸、卤化物等污染物氧化为水和二氧化碳，而且其不会出现二次污染，也没有专一选择性，氧化条件相对温和，降解速度快，应用范围比较广泛，在污水净化方面取得了显著成效。
2、在重金属污染土壤修复中的运用
对于重金属污染土壤的修复主要是和重金属离子反应转换为沉淀为或者增加重金属离子吸附，降低重金属离子迁移。无机纳米颗粒修复剂的微界面较大，能够快速、有效地吸附重金属离子，而通过这种强吸附作用可以有效降低重金属离子的转化和迁移作用。研究表明，对于污染土壤中的Cr，Cu包裹TiO2纳米颗粒可产生协同催化效应，从而促进Cr氧化还原反应，在Cr污染土壤治理修复方面效果比较显著。同时，有专家学者利用一次平衡法，研究TiO2纳米颗粒对氧化产物吸附、土壤As催化氧化等，随着TiO2光照时间和加入量的增加，As光催化氧化量不断增加，实验证明，当光照时间为90min，TiO2加入量为1.0g L-1时，对于As的转化效果最好。另外，纳米铁颗粒可以有效去除污水、污泥中的有毒金属，其在污染土壤修复方面的研究越来越多。在土壤中加入纳米铁颗粒，污染物和纳米铁颗粒进行氧化还原、吸附反应，去除或者减轻污染物毒性。研究表明，合成Fe3O4纳米颗粒时，采用自制半透膜水解法，而且利用浮游球衣菌和Fe3O4纳米颗粒联合吸附Cr、Cu2+、Pb2+，实验表明，Fe3O4纳米颗粒用浮游球细菌包裹以后，在吸附Cr、Cu2+、Pb2+时效果更好。
3、在有机物污染土壤修复中的运用
土壤光催化降解是一种新型土壤修复技术，应用前景非常广阔。近年来，黏土矿物改性技术、纳米型氧化物催化技术等在农业生产、土壤修复等领域应用越来越广泛，TiO2、纳米铁粉等去除污水和土壤中有机氯等污染物方面的研究也日益成熟。国外研究人员，对含氯有机溶剂使用磁芯电抗铁降解为无害无毒产物，接着使用原子转移自由基聚合技术，使含铁分子包裹两层聚合体壳，以纳米形式将不同功能和结构组分加入到合成颗粒中，颗粒外层聚合体壳亲水性较好，其可以土壤空隙中靠近TCE，而内层疏水壳可以使颗粒停留在TCE和水之间分界面上，然后颗粒中的铁对有毒有机物进行快速降解。同时，我国研究人员通过酸催化凝胶溶胶法制作了TiO2半导体纳米催化剂，深入研究了TiO2半导体纳米催化剂通过环乙烷进行光催化氧化以后的催化性能关系和结构，结果表明，室温环境条件下，TiO2半导体纳米催化剂可有效降解环乙烷中的C-H键，将其转换为环已醇，并且TiO2半导体纳米颗粒的粒径从30nm减小到10nm时，可大幅度提高光催化降解苯酚效率。除了TiO2半导体纳米颗粒以外，ZnO纳米颗粒也具有非常独特的光催化作用，其可有效降解和监测水中、土壤中的有机污染物。另外，除了ZnO和TiO2纳米颗粒以外，铁和其它金属复合颗粒以及纳米铁颗粒也具有良好的表面活性，其表面积较大，在有机物污染土壤修复方面应用前景非常广阔。相关研究表明，纳米铁颗粒对于污染土壤中的多氯联苯污染物、有机氯农药、有机氯溶剂等污染物具有良好的脱毒和转化作用，并且在土壤中加入纳米铁颗粒以后能够快速发生反应，其可以快速降解三氯乙烯浓度，而且土壤中有机污染物和纳米铁颗粒可以保持4～7周的反应活性。
结束语：
在污染水体和土壤修复方面，纳米材料在增强氧化还原反应、催化降解、专性吸附以及对有机污染物和重金属的表面吸附等方面的优势是传统材料无法比拟的。当前，纳米材料在污染水体和土壤修复中的应用研究还比较薄弱，所以在未来发展过程中，应加大对这方面的分析和研究，积极发展纳米技术，推动我国环境治理快速发展。
参考文献：
[1]王萌，陈世宝，李娜，马义兵. 纳米材料在污染土壤修复及污水净化中应用前景探讨[J]. 中国生态农业学报，2010，02：434-439.
[2]刘蕊，周启星，马奇英. 纳米材料在污染水体和土壤修复中的应用[J]. 生态学杂志，2010，09：1852-1859.
[3]王萌，陈世宝，马义兵. 纳米材料在污染环境修复中的生态毒性研究进展[J]. 应用生态学报，2010，11：2986-2991.
[4]高园园，周启星. 纳米零价铁在污染土壤修复中的应用与展望[J]. 农业环境科学学报，2013，03：418-425.
关键词：纳米材料；污染水体；土壤修复；运用
近年来，环境分子科学不断发展，纳米材料和普通材料相比，在热、电、光、磁等物理性能方面存在较大差异，具有吸收、辐射、催化、吸附等热性。当前，纳米材料已经成为环境污染控制方面研究的重点，通过对污染水体和土壤修复中纳米材料的运用研究，为该领域提供新的发展思路。
一、纳米材料概述
纳米材料是由尺寸介于宏观体系、分子和原子之间的纳米颗粒组成，而这些纳米颗粒的量子效应对于物质的结构和性能有着重要影响，其具有特殊的理化性质，如量子隧道效应、量子尺寸效应、界面效应、小尺寸效应等，而纳米颗粒的化学构成、颗粒分布和比表面积等直接影响着纳米材料的特殊理化性质。由于纳米颗粒具有微孔性和大量微界面，能够有效强化各种界面反应，如重金属的专性吸附反应，在污水净化和重金属污染土壤治理中发挥着越来越显著的作用。纳米材料主要通过化学和物理两种方法来制备，化学方法包括微乳液法、溶胶凝胶法、水热合成法、化学沉淀法、气相沉积法等；物理方法包括机械球磨法、物理粉碎法、真空冷凝法等，在实际应用中，物理方法成本低、操作简单，因此其应用更加广泛，然而和溶胶凝胶法、真空冷凝法相比，物理方法制备的纳米材料颗粒分布不太均匀，产品纯度低。
近年来，国内外关于纳米材料在污染水体和土壤修复中的研究越来越多，例如，纳米型聚合物、零价金属材料、碳质纳米材料、纳米型矿物等纳米修复剂材料在水体净化和土壤污染防治方面的应用取得了一定的成果。
二、纳米材料在污染水体和土壤修复中的运用
1、在污水净化中的应用
一直以来，污水处理都是环境污染治理的重点，而传统污水处理成本高、效率高，甚至会出现二次污染问题。在污水净化方面应用纳米材料，主要包括纳米吸附材料、纳米光催化技术、纳米过滤技术等，纳米材料净化水的机制主要是利用包含不同纳米孔径的处理设备或者特殊纳米孔径水处理膜、活性炭、纤维和纳米磁性物质，对污水中的无机、有机污染物进行氧化还原反应、催化降解或者吸附，将水中污染物除去。半导体光催化剂可以吸收光纤获取能量，还具有催化剂的应用特性，而WO3、Fe2O3、ZnO、TiO2等纳米材料扩展了半导体光催化剂的应用。有研究证明，在污水净化方面运用半导体纳米颗粒可以进行光催化氧化降解，污染物和半导体纳米颗粒发生反应时，纳米颗粒表面会产生很多羟基自由基，而这些羟基自由基具有较强的氧化能力，可将污水中的某些无机污染物和有机污染物氧化降解为水、二氧化碳等无害物质。同时，锐钛矿型纳米级TiO2颗粒的光催化效果较好，有研究曾对污水中大多数有机污染物利用纳米型光催化颗粒进行光催化分解，实验验证光催化纳米颗粒能够将污水中的有机农药、含氮有机物、染料、表面活性剂、羧酸、卤化物等污染物氧化为水和二氧化碳，而且其不会出现二次污染，也没有专一选择性，氧化条件相对温和，降解速度快，应用范围比较广泛，在污水净化方面取得了显著成效。
2、在重金属污染土壤修复中的运用
对于重金属污染土壤的修复主要是和重金属离子反应转换为沉淀为或者增加重金属离子吸附，降低重金属离子迁移。无机纳米颗粒修复剂的微界面较大，能够快速、有效地吸附重金属离子，而通过这种强吸附作用可以有效降低重金属离子的转化和迁移作用。研究表明，对于污染土壤中的Cr，Cu包裹TiO2纳米颗粒可产生协同催化效应，从而促进Cr氧化还原反应，在Cr污染土壤治理修复方面效果比较显著。同时，有专家学者利用一次平衡法，研究TiO2纳米颗粒对氧化产物吸附、土壤As催化氧化等，随着TiO2光照时间和加入量的增加，As光催化氧化量不断增加，实验证明，当光照时间为90min，TiO2加入量为1.0g L-1时，对于As的转化效果最好。另外，纳米铁颗粒可以有效去除污水、污泥中的有毒金属，其在污染土壤修复方面的研究越来越多。在土壤中加入纳米铁颗粒，污染物和纳米铁颗粒进行氧化还原、吸附反应，去除或者减轻污染物毒性。研究表明，合成Fe3O4纳米颗粒时，采用自制半透膜水解法，而且利用浮游球衣菌和Fe3O4纳米颗粒联合吸附Cr、Cu2+、Pb2+，实验表明，Fe3O4纳米颗粒用浮游球细菌包裹以后，在吸附Cr、Cu2+、Pb2+时效果更好。
3、在有机物污染土壤修复中的运用
土壤光催化降解是一种新型土壤修复技术，应用前景非常广阔。近年来，黏土矿物改性技术、纳米型氧化物催化技术等在农业生产、土壤修复等领域应用越来越广泛，TiO2、纳米铁粉等去除污水和土壤中有机氯等污染物方面的研究也日益成熟。国外研究人员，对含氯有机溶剂使用磁芯电抗铁降解为无害无毒产物，接着使用原子转移自由基聚合技术，使含铁分子包裹两层聚合体壳，以纳米形式将不同功能和结构组分加入到合成颗粒中，颗粒外层聚合体壳亲水性较好，其可以土壤空隙中靠近TCE，而内层疏水壳可以使颗粒停留在TCE和水之间分界面上，然后颗粒中的铁对有毒有机物进行快速降解。同时，我国研究人员通过酸催化凝胶溶胶法制作了TiO2半导体纳米催化剂，深入研究了TiO2半导体纳米催化剂通过环乙烷进行光催化氧化以后的催化性能关系和结构，结果表明，室温环境条件下，TiO2半导体纳米催化剂可有效降解环乙烷中的C-H键，将其转换为环已醇，并且TiO2半导体纳米颗粒的粒径从30nm减小到10nm时，可大幅度提高光催化降解苯酚效率。除了TiO2半导体纳米颗粒以外，ZnO纳米颗粒也具有非常独特的光催化作用，其可有效降解和监测水中、土壤中的有机污染物。另外，除了ZnO和TiO2纳米颗粒以外，铁和其它金属复合颗粒以及纳米铁颗粒也具有良好的表面活性，其表面积较大，在有机物污染土壤修复方面应用前景非常广阔。相关研究表明，纳米铁颗粒对于污染土壤中的多氯联苯污染物、有机氯农药、有机氯溶剂等污染物具有良好的脱毒和转化作用，并且在土壤中加入纳米铁颗粒以后能够快速发生反应，其可以快速降解三氯乙烯浓度，而且土壤中有机污染物和纳米铁颗粒可以保持4～7周的反应活性。
结束语：
在污染水体和土壤修复方面，纳米材料在增强氧化还原反应、催化降解、专性吸附以及对有机污染物和重金属的表面吸附等方面的优势是传统材料无法比拟的。当前，纳米材料在污染水体和土壤修复中的应用研究还比较薄弱，所以在未来发展过程中，应加大对这方面的分析和研究，积极发展纳米技术，推动我国环境治理快速发展。
参考文献：
[1]王萌，陈世宝，李娜，马义兵. 纳米材料在污染土壤修复及污水净化中应用前景探讨[J]. 中国生态农业学报，2010，02：434-439.
[2]刘蕊，周启星，马奇英. 纳米材料在污染水体和土壤修复中的应用[J]. 生态学杂志，2010，09：1852-1859.
[3]王萌，陈世宝，马义兵. 纳米材料在污染环境修复中的生态毒性研究进展[J]. 应用生态学报，2010，11：2986-2991.
[4]高园园，周启星. 纳米零价铁在污染土壤修复中的应用与展望[J]. 农业环境科学学报，2013，03：418-425.