纳米技术与环境

引言

环境污染无疑是当今社会面临的最严重的问题之一。 为了清理空气、水和土壤中的有毒物质，人们一直在研究新技术。众多危险污染物中包括颗粒物、重金属、化肥、农药、除草剂、石油泄漏、有害气体、工业废水、污水和有机化合物。

许多材料可用于环境修复，这意味着可以采用多种技术来实现这一目标。由于化合物成分复杂且易挥发、反应性低，因此难以吸收和降解环境污染物。目前的研究集中在利用纳米材料开发创新的环境修复技术。

不断增长的全球人口导致能源和材料消耗增加，这对环境产生了影响。这些影响包括汽车和工业设施造成的空气污染加剧、固体废物产生以及地表水和地下水污染。纳米技术有潜力通过直接应用纳米颗粒进行污染物检测、预防和清除，以及通过改进的工业设计过程间接应用纳米颗粒来改善环境。

在跨学科科学和技术领域，纳米技术需要迅速引起各个传统研究领域的关注。纳米技术虽然名字很吸引人，但对发展中国家有很多应用。希腊语单词 nano，意为矮人，用来描述数量级为 10-9 nm 的尺寸。近年来，纳米尺度材料的独特物理特性引起了广泛关注。

纳米技术通过研究和管理各种来源的排放，对环境产生了重大影响。创造新的“绿色”技术，减少不需要的产品的生产，以及清理现有的垃圾填埋场和受污染的水源。通过纳米技术，还可以开发新的、更好的方法来监测、消除和减轻环境污染。纳米技术有潜力为环境可持续性和保护做出贡献。开发更有效的纳米技术和环保纳米材料还可以减少资源和能源的消耗。此外，还有其他纳米技术应用正在用于改善抗污染环境。这包括消除现有污染，改进生产工艺以控制新污染物的产生，并降低替代能源的成本。

由于纳米材料比其块状对应物具有更大的表面积/体积比，因此它们更具反应性和有效性。此外，与传统方法相比，纳米材料有可能利用特殊的表面化学性质，使其能够进行官能化或接枝具有靶向特定目标分子（污染物）的官能团，从而实现有效的修复。此外，对纳米颗粒的形状、尺寸、孔隙率和化学成分进行有意识的操纵可以赋予其他有益的特性，直接影响材料在污染清理中的性能。

此外，与传统方法相比，丰富的表面改性化学和纳米材料可变的物理特性为解决环境污染物提供了显著优势。因此，通过组合多种材料（混合物/复合材料）并提取每种成分的特定理想特性而创建的技术，可能比仅依赖单一纳米平台的技术更有效、更稳定、更具选择性。单独使用纳米颗粒或将纳米颗粒连接到支架上是提高材料稳定性的另一种方法。

纳米技术的具体应用

1. 电池回收

许多电池中仍含有汞、铅、镉和镍等重金属。如果电池处理不当，这些元素会对环境造成损害，并对人体健康有害。电池除了对环境造成危害外，还是大量有价值且廉价的原材料的巨大浪费，它们堆积在垃圾填埋场中。研究人员已从废弃的 Zn-MnO₂ 碱性电池中回收了纯氧化锌纳米颗粒。

2. 清洁水中的放射性废物

作为其清洁放射性废物的纳米技术解决方案的一部分，研究人员正专注于使用钛酸盐纳米纤维作为吸附剂来去除水中的放射性离子。此外，科学家们注意到，由于钛酸盐纳米管和纳米纤维独特的结构特性，它们是去除水中放射性铯和碘离子的优良材料。

3. 清理石油泄漏

大规模石油泄漏是一个过于严重的问题，无法通过传统清理方法解决。近年来，纳米技术已成为解决许多世界未解难题的新兴解决方案。尽管使用纳米技术清理石油泄漏仍处于早期阶段，但未来前景广阔。过去几年，全球范围内对研究使用纳米材料开发合适的石油泄漏清理解决方案的兴趣显著增加。

4. 水处理应用

非纳米技术在污染物清理方面的应用范围广泛，这反映了纳米技术在环境修复中的应用范围。吸附式与反应式以及原位式与异位式是区分不同类型传统修复方法的两个主要区别。反应式修复技术影响污染物的分解，而吸附式修复策略通过隔离来去除污染物（尤其是金属）。而异位式是指在将受污染材料移至更方便的地点后进行的处理（例如，将受污染的地下水泵送到地面并在地面反应器中处理），原位式方法则在污染物产生时就对其进行处理。

纳米技术实现的技术可能带来更精确、更经济的修复工具。许多现有的有害污染物去除程序成本高昂、耗时且劳动密集。生态系统随后会受到通常需要进行的预处理程序和受污染区域清理的影响。通过使用纳米技术，可以创建能够到达含水层和裂缝等难以到达区域的技术，并进行原位修复，从而无需昂贵的泵送和加热操作。利用纳米科学，可以创建针对特定污染物（如金属）的修复工具。因此，该方法的灵敏度、亲和力和选择性正在提高。

a. 异位纳米技术

泵送和处理操作是传统程序的支柱。使用此技术，会提取地下水。然后使用化学沉淀、空气剥离、碳吸附、生物反应器和碳吸附等技术对其进行地面（异位）处理。不幸的是，这些技术中的大多数会产生需要处理的高度污染废物，这会增加操作时间。特别是对于有机污染物，能够通过污染物破坏而非吸附来影响清理的纳米技术很有吸引力。金属氧化物纳米颗粒（如 TiO2）促进的光氧化是一种成熟的有机污染物修复方法。量子尺寸光催化剂（小于约 10 nm）的优点因其在污染物降解中的潜在用途而被长期认可。使用注入井，一种不同的技术涉及将 FeO 纳米颗粒注入地下水。与泵送和处理或气体萃取（放气）等其他技术相比，这项技术更经济且对环境更有利。

b. 原位纳米技术

渗透性反应屏障（PRB）是用于清理受污染地下水的一种流行的原位或地下修复技术。PRB 是由物质组成的治疗区域，当地下水流过屏障时，这些物质会分解或固定污染物。它们可以作为永久性、半永久性或一次性屏障建造在污染物羽流的流经路径上。选择屏障材料时会考虑目标物质。

PRB 的缺点是它们只能处理流经它们的受污染羽流；它们无法处理屏障外部的受污染地下水或致密的非水相液体（NAPLs）。虽然有多种纳米颗粒可用于原位修复（例如，含 nZVI 的纳米颗粒或氧化铝负载的贵金属），但目前最受关注的是非离子两亲性聚氨酯纳米颗粒。原位处理需要迁移到受污染区域的反应性纳米颗粒羽流，或具有相对固定纳米颗粒的原位反应区。使用标准的耕作技术，可以将纳米颗粒推入受污染土壤的表面，用于表土处理。

电容去离子（CDI）技术是另一种更新的技术，用于处理咸水。CDI 的优点包括其能源效率高、成本效益高且没有二次污染物。研究纳米技术的科学家们开发了一种 CDI 应用，该应用使用类似石墨烯的电极进行电容去离子。他们发现石墨烯电极的性能优于 CDIs 中通常使用的活性炭材料。

5. 空气污染修复技术

空气污染浓度不仅危害人类健康，还危害环境和文化遗产。必须在国家层面采取进一步措施，以减少轮胎磨损造成的氮氧化物和颗粒物排放。纳米技术可以通过多种方式用于减轻空气污染。一种方法是使用具有更大表面积的纳米催化剂进行气体处理。催化剂通过加速将汽车和工厂的有毒烟雾转化为安全气体的化学过程来发挥作用。目前使用的一种催化剂是锰氧化物纳米纤维催化剂，它能净化工业烟囱中的挥发性有机污染物。另一种方法利用纳米结构膜，其孔隙足够小，可以从废气中提取二氧化碳或甲烷。

a. 二氧化碳减排

在将 CO₂ 隔离于燃烧或工业运营产生的其他废气之后，才能将其储存在碳捕获与封存（CCS）系统中。目前用于此类过滤的大多数技术都成本高昂且化学品消耗量大。利用纳米技术创建薄的纳米级膜可以带来新的膜技术。由于其独特的催化性能，纳米颗粒在化学工业领域被用来提高能源和资源效率。在某些应用中，纳米材料甚至可以替代对环境有害的化学品。

b. 人工光合作用

生产氢能源技术的企业正享受着可持续创新的绿色曙光，它有望拯救环境。尽管氢燃料是一种清洁能源，但它经常来自一个非常肮脏的来源。问题在于，生产氢需要消耗多种资源，并且无法通过油井钻探来实现。

人工光合作用，利用太阳能分解水产生氢气和氧气，可以提供一种清洁、便携的能源，其可靠性与阳光一样。通过提取和分离水分子中带相反电荷的质子和电子来产生电能。通过利用纳米尺度，科学家们已经证明，通过结合廉价、环保的无机光收集纳米晶体阵列和低成本、高元素的电催化剂，可以创建稳定且经济高效的光电化学制氢系统。

然而，随着技术的进步，应该调查纳米技术是否存在对环境或公众健康的担忧。纳米颗粒的微小尺寸和高表面积导致其反应性增强。尽管这一特性具有许多用途和优点，但也存在潜在的工人风险和环境安全风险，包括可能长时间悬浮在空气中、可能在环境中积累、易于被吸收以及对不同身体器官造成损害。本文回顾了纳米技术在废物管理、水处理、空气污染控制与减排以及纳米材料安全方面的应用。

纳米技术对环境和健康的危害

迫切需要制定法规来保护工人、公众和环境免受纳米毒性的风险。因此，随着纳米技术日益融入我们的日常生活，接触环境纳米技术是不可避免的。早期科学研究表明，在块状形式下无害的材料在纳米尺度下可能变得有害。

纳米材料的微小尺寸通常与其毒性有关。与较大的颗粒相比，较小的颗粒化学反应性更强，产生的活性氧（包括自由基）更多，并且具有更大的反应表面积。已报道多种纳米材料，如金属氧化物、碳纳米管和碳富勒烯，会产生活性氧。

纳米材料可以穿过较大的生物膜，进入细胞、组织和器官。当纳米材料被摄入或吸入时，它们可以进入血液。至少有一些纳米材料可以穿透皮肤，特别是当皮肤弯曲时。

破损的皮肤是一个糟糕的颗粒屏障，表明湿疹、痤疮、晒伤或剃须伤口等皮肤状况可能更容易使纳米材料穿透皮肤。纳米材料进入血液后可以在体内传播，并被许多器官和组织吸收，例如大脑、心脏、肝脏、肾脏、脾脏、骨髓和神经系统。纳米材料已被证明对人体组织和细胞培养有害，会增加炎症细胞因子、氧化应激和细胞死亡的产生。与较大的颗粒相比，纳米材料能够被细胞核和线粒体吸收。

研究表明，纳米材料能够产生 DNA 突变并对线粒体造成严重的结构损害，可能导致细胞死亡。显而易见，颗粒的大小对其潜在毒性起着重要作用。然而，它并非唯一重要的组成部分。化学成分、形状、表面结构、表面电荷、聚集和溶解度以及其他化合物的“官能团”的存在是影响毒性的纳米材料的其他特性。由于决定毒性的变量众多，因此很难概括与接触纳米材料相关的健康危害；每种新的纳米材料都必须单独评估，以及所有材料的特性。

在一项评估这些颗粒对肺癌细胞的有害影响的研究中，研究人员发现了碳基纳米颗粒引起的尺寸依赖性细胞毒性的证据。已提出包括纳米颗粒的尺寸、结晶度、聚集、表面功能化和成分在内的多种因素影响特定颗粒的危险程度。此外，一个人的基因构成——受其适应和应对有害物质能力的影响——决定了纳米颗粒在该个体中的毒性。

环境、健康和安全部（EHS）旨在确保使用纳米技术的工人了解潜在的风险和危害，以及应采取的控制措施以限制暴露，从而减轻这些风险。除了确保进行纳米技术研究的大学教职员工了解潜在的风险和危害以及应采取的控制措施以限制暴露外，大学的纳米技术安全政策还积极应对这个快速发展的纳米技术领域的安全问题。欧洲科学委员会新兴和新发现健康风险科学委员会（SCENIHR）发布了关于“风险评估方法在按照新物质和现有物质技术指南文件评估纳米材料风险方面的适用性”的初步意见。

纳米技术的未来与挑战

纳米技术的进步每天都在推动技术进步。在未来几年，纳米结构和纳米材料的使用预计将大幅增加。虽然纳米技术领域面临许多挑战，但有些比其他更重要。由于其独特的品质和广泛的用途，纳米材料非常重要。然而，如果处理不当，它们可能非常有害且具有破坏性。因此，开发能够量化环境中处理不当的纳米材料数量的技术至关重要。一些纳米材料对环境和人类健康构成严重威胁。因此，标准化评估纳米材料对人类健康潜在有害影响的新方法应该是研究的重点。

对材料及其在纳米尺度上的行为的深入了解的愿望是纳米技术目前面临的最紧迫的挑战。世界各地的大学和企业正在深入研究原子如何聚集以构建更大结构的复杂过程。量子力学在纳米尺度上如何影响材料的原理正在不断探索。有些纳米颗粒可能是有害的，因为元素在纳米尺度上的行为方式与它们在块状形式下的行为方式不同。一些医学专家认为，纳米颗粒可能很容易穿过血脑屏障，血脑屏障是一种保护大脑免受血液中有害物质侵害的膜。如果我们打算将纳米颗粒用于衣服到道路的涂层，我们必须确保它们不会造成任何伤害。

神经连接的工作速度比半导体开关慢一百万倍。一方面，制造技术的扩展到三维是微纳米制造从平面技术发展所必需的。然而，三维器件所需的架构必须能够实现信号、热量、功率以及可能质量的快速流动。与现代电子标准器件相比，需要大幅降低热力学功率密度。有必要使用具有大大扩展的连接度的三维网络来构建架构。必须用三维图案化和组装技术取代薄膜技术和平面相关光刻。

目前，还没有关于如何启动这些复杂发展的有说服力的想法。对可持续性（见下文）的考虑也要求对当代产业的性质进行彻底的重新评估。对环境适应的生产过程的需求以及纳米技术生产系统的收缩所带来的挑战都朝着同一个方向发展。

如果我们与自然合作而不是对抗其物质和生物循环，地球生命就可以得以保存，人类的未来就可以得到保障。物质的自然循环必须完全纳入未来的物质管理。将纳米技术和其他未来技术整合到这个有机物质通量网络中是先决条件。

技术障碍与知识障碍密切相关。为了实现围绕纳米技术的惊人预测，我们必须弄清楚如何大规模生产纳米尺寸的产品，如晶体管和纳米线。虽然纳米颗粒可以用来制造防皱织物和网球拍，但纳米线仍然太新，无法用于开发极其复杂的微处理器。此外，人们对纳米技术存在严重的社会担忧。我们可能会开发出更强大的武器，既致命又非致命。一些团体担心，一旦这些武器被开发出来，我们将没有时间考虑在其中使用纳米技术的道德影响。他们恳请政策制定者和科学家们在制造越来越强大的武器之前，仔细考虑纳米技术的全部潜在用途。

一场名为纳米技术的即将到来的革命，为经济的许多部门带来了巨大的希望，包括工业、医疗保健和食品生产。随着纳米材料和纳米颗粒在食品行业中的应用日益增多，它们能够防止食品变质。用于改变营养成分和提高产品耐用性、质量和吸引力的纳米材料和纳米尺度食品添加剂的例子包括防腐剂、风味剂、抗菌传感器、包装材料、包装食品成分等。纳米材料可以用作生物标记物来识别食品中的病毒，从而确保食品安全和质量。然而，在纳米技术能够用于食品行业创造真正创新的产品和程序之前，仍有许多问题需要解决。

创造一个安全有效的食品产品输送系统是一个主要关注点，因为它需要复杂且经济高效的处理。纳米颗粒从包装材料迁移和浸出到食品中的问题是食品安全的关键问题。材料在纳米尺度上的行为差异很大，并且在这个现象的分析中仍然存在许多限制。对于纳米技术的实际应用和安全法规，全面了解纳米材料的毒性及其在纳米尺度上的功能将非常有益。此外，在商业应用之前，必须在体外和体内研究纳米颗粒与生物物质的相互作用。此外，还需要研究具有抗菌特性的纳米材料对人类的毒性。

纳米技术食品具有极大的潜力，可以扩大功能性食品的生产和配方选择范围。如果能制定特定的法律法规来解决与这项技术相关的各种安全问题，纳米技术有一天可能会主导整个食品加工行业。目前的预测表明，由于纳米技术能够解决宏观和微观尺寸的问题，到 2050 年，它将成为最具发展潜力的技术。

许多专家认为，对超人类主义和“灰蛊”的担忧可能是不合理的，或者至少是过早的。尽管如此，随着我们越来越了解纳米尺度的巨大潜力，纳米技术无疑将继续对我们产生影响。

结论

环境防御组织的 John Balbus 表示，相关公司、公众利益组织和政府机构之间需要加强合作，以创造既能保护公众健康又能保护环境的商业可行解决方案。这是一个重要的目标，因为纳米技术的发展首次就做得正确至关重要。现代历史上许多技术进步都为彻底改变社会带来了巨大的潜力，但 Balbus 指出，有时这些进步是以牺牲安全性为代价的。

就纳米技术而言，挑战在于科学如何以最能保护公众并从一开始就确保健康和安全的方式进步。因此，我们的技术产品和产品应用必须适应生物体中的转化机制。有必要重新评估已转化的物质，以及它们的转化途径、运输模式及其对受影响区域生物进化的影响。资源管理、材料利用和回收与生物群落维护和物种保护的各个方面密切相关。因此，我们需要重新考虑自然世界与技术世界的互动方式。

特别是，纳米技术对于创建这些新颖的界面是必需的。它可能提供一种方法来修改尖端技术解决方案以满足生态需求。纳米技术的未来发展应使该科学领域更接近生物和生态系统的动力学和环境。未来，技术和自然可能会融合，大多数技术都需要支持和保护原始的自然机制。然而，我们将发现，在不危及地球可持续性的情况下，我们在多大程度上可以改变物质和生命的自然循环。

可以假设，纳米技术、生物技术和超分子化学的结合将是朝着这个方向迈出的关键一步。通常将纳米技术称为新兴技术，它不仅具有潜在的社会效益，而且还具有彻底改变我们解决日常问题方式的强大力量。尽管纳米技术不是一个全新的学科，但它最近才取得了重大突破，值得研究它们可能如何影响我们生活的环境。