CREST | 兰卡斯特大学Sarkar等团队：水土化学污染物可持续修复的纳米材料

导读

 

英国兰卡斯特大学/澳大利亚南澳大学Binoy Sarkar、韩国大学Yong Sik Ok等在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST,《环境科技评论》）期刊发表题为“水土化学污染物可持续修复的纳米材料（Nanomaterials for sustainable remediation of chemical contaminants in water and soil; 2022, 52(15): 2611-2660）”的综述。

人口、工业、城市化和农业集约化的快速增长导致了各种污染物对土壤和水的污染。由于纳米材料具有较高的反应活性，纳米修复技术已成为目前最成功的治理土壤和水污染物的新兴技术之一。大量的出版物认为使用纳米材料去除污染物的效果是不错的，并且通常通过聚合物、粘土矿物、沸石、活性炭和生物炭对纳米材料进行改性来提高效率。本文综述了目前国内外用于土壤和水可持续修复方面的先进纳米材料的研究进展，重点介绍了纳米材料在吸附/过滤、催化、光降解、电纳米修复和纳米生物修复等新型修复方法中的应用。对工艺性能、运用模式、潜在环境风险及其管理，以及使用纳米材料进行土壤和水修复所产生的社会和经济影响的深入了解表明，广泛接受纳米修复技术不仅需要基础科学和工程方面的实质性发展，也需要在现实条件下，实际证明已经认可的方法的有效性。需要开展新的研究，包括绿色纳米技术、纳米生物修复、电子纳米辐射、纳米管风险评估和推广活动，以实现纳米修复在区域和全球范围内的成功应用。

图1 纳米材料的种类及作用

主要内容

纳米材料可分为：（i）金属基或无机纳米材料，（ii）碳基纳米材料，（iii）聚合物基纳米材料，（iv）复合纳米材料。图2描述了用于去除环境污染物的各种类型纳米材料。金属基纳米材料（如铁基纳米材料、铜基纳米材料、双金属纳米颗粒）被广泛用于环境修复，其次是碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯），而聚合物（如壳聚糖、海藻酸盐）和复合材料（如粘土-聚合物纳米复合材料、沸石和生物炭负载纳米复合材料）纳米材料得到了相当多的研究关注，但实际应用有限。除了少量的铜基纳米颗粒、双金属纳米颗粒、其他金属氧化物纳米颗粒（如二氧化钛、氧化锌）和碳纳米管外，铁基纳米颗粒也已成功应用于该领域。现有的土壤污染物修复策略主要遵循两个方向：（i）将污染物浓度降低到远远低于一个临界限度，（ii）在土壤中稳定污染物，以减少其对环境受体的直接风险。而使用纳米材料进行水和土壤处理的主要原因是：其高选择性、高吸附能力（高比表面积和众多的吸附位点）、使用后易于再生几个特点。

图2 用于去除环境污染物的纳米材料类型

纳米修复涉及多种技术方法，如吸附、光降解、多相催化、微器官介入（纳米生物修复）和电场部署（电-纳米修复），并应用纳米材料去除或固定化环境中的污染物。因此，在使用纳米材料进行修复时，了解上述方法的工作原理是很重要的。污染物的吸附发生在固液界面的吸附剂表面；而光催化由于成本低和环境兼容性好，一直是去除环境污染物最成功的工艺之一（图3）；多相催化涉及固相催化剂和液相反应物，催化剂用于提高反应或吸附速率；纳米生物修复可定义为利用纳米粒子和生物技术共同对污染物进行修复，以加速污染物的降解速度。

利用纳米材料进行原位修复研究具有重要意义，但现有文献较少。大多数现场研究都局限于纳米零价铁在去除地下水污染物方面的应用。因此，本文围绕纳米辐射的各种实际应用模式，结合现场实际研究实例，以及纳米辐射大规模应用于环境修复需要解决的问题，对原位修复的应用进行了探讨。

图3 纳米颗粒存在下污染物的吸附及光降解机理

纳米材料在修复污染土壤和水方面的巨大应用潜力引起了广泛的研究关注；纳米材料与环境成分、微生物群落和目标污染物的相互作用机制已经得到了明确的研究。纳米材料通过土壤和废水处理过程在环境中沉积，会对微生物（如促进植物生长的根状细菌）造成毒性。纳米零价铁是目前应用最广泛的纳米粒子，可用于环境中各种污染物的修复（图4）。纳米颗粒（尤其是土壤中的纳米颗粒）的命运取决于几个关键参数，如土壤质地、pH和有机质含量。纳米零价铁可能对微生物群落有毒性作用，例如，纳米零价铁通过产生活性氧破坏微生物细胞，导致细胞毒性，并改变微生物群落的数量和功能组成。

纳米材料风险管理包括三种策略：（i）污染源清除，（ii）羽流控制或途径处理，（iii）限制资源使用。风险管理可以通过消除污染源的污染并摧毁污染源、途径（污染物的迁移）和受体之间的联系来实现。然而，目前关于在野外条件下的纳米材料的风险管理研究较少，值得进一步研究。

图4 纳米零价铁/生物炭复合材料去除污染物的机理

可持续修复包括以安全和及时的方式消除或控制污染风险，同时优化工作的环境、社会和经济价值。可持续修复可能包括一种或多种修复技术，包括原位和非原位处理，以及物理、化学、热和生物过程的组合。方法应满足可持续修复的三大要求：（a）廉价，（b）生态友好，（c）社会可接受。

总结与展望

本文讨论的纳米材料在污染土壤和水的修复方面具有很高的潜力。纳米粒子及其支撑剂的无机和有机改性，如粘土矿物、生物炭、生物可降解聚合物和少量沸石，可以提高纳米材料的污染物去除能力。纳米材料具有良好的降解能力和光降解效率，可处理多种污染物，前景广阔。然而，纳米材料在实际领域的应用仍局限于nZVI在土壤和地下水修复中的应用。纳米材料可能对生物体、环境、社会和经济产生积极或消极的影响，应根据具体情况加以评价。适当的纳米风险文件、现场尺度的修复结果验证、科学政策的接口协商和适当的市场开发举措是提高纳米修复技术的普及和可接受性的途径。

为了使纳米修复技术得到更广泛的接受，提出了以下研究挑战：

1.展望了纳米生物修复在基础和实际应用两方面的研究方向。

2.纳米生物修复技术中生物降解和去除的分子机制有待进一步研究。

3.纳米材料对土壤地球化学、微生物学以及最终土壤毒性的研究还有待进一步研究。

4.现有的纳米修复研究大多局限于实验室研究和建模。将这些研究转移到原位条件是一项挑战。

5.被认为可以改善污染物的修复性能，同时降低纳米材料对陆地和水生生物的有害风险的一些材料需要未来的研究更关注现场验证以及工业界的接纳。

6.纳米材料的生态毒理学和风险评估研究仍局限于特定的细菌及其菌株。研究纳米材料对包括人类在内的多种生物有机体的影响，并评估毒性在食物链中的传播是当务之急。

作者简介

第一作者简介：

Raj Mukhopadhyay，印度农业研究理事会（ICAR）中央土壤盐分研究所灌溉排水工程部的研究员。主要从事盐碱地和水的管理工作以及应用粘土矿学、纳米技术、环境修复等方面的研究。

通讯作者简介：

Binoy Sarkar，澳大利亚南澳大学未来产业研究所的研究员，曾任英国兰卡斯特大学副研究员。主要研究对发生在矿物和其他颗粒材料（如生物炭、纳米颗粒、塑料）表面和界面的物理-生物化学现象，在应用方面延伸到大气二氧化碳捕获和土壤中的碳封存，以及土壤和水环境中常规污染物和新兴污染物的修复。现任Cri Rev Environ Sci Technol期刊副主编。曾获得澳大利亚政府赞助的奋进研究奖学金，前往美国布卢明顿的印第安纳大学进行访问和研究（2016年），还获得了澳大利亚土壤和植物分析委员会颁发的Geof Proudfoot奖和ICAR印度农业研究所颁发的Desai Biswas奖章。在Nature、Nature Plants等期刊发表论文170余篇，h指数为51。

Yong Sik Ok，韩国大学教授、主任。研究领域包括废物管理、新兴污染物的生物利用度、生物能源和增值产品（如生物炭）。担任Cri Rev Environ Sci Technol共同主编。目前担任环太平洋大学协会（APRU）可持续废物管理项目主任，曾担任过许多重大会议的主席，如由澳大利亚审慎监管局和美国化学工程师学会（AIChE）可持续发展研究所组织的2019年工程可持续发展会议。2018年至今为全球高被引科学家。

|供稿：彭友镜

|编排：曾镜羽

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