浅谈纳米材料及其在分析测试中的应用

一.纳米材料的特点与性质 纳米材料是粒径在100nm以下的超微粉末,因其产生小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应]、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的一些物理与化学性能.随着粒径的减小,纳米材料的表面原子数、表面积、表面能和表面结合能迅速增大.     

典型工程纳米材料对微藻的毒性效应研究进展

近年来,随着纳米技术的快速发展,工程纳米材料由于其良好的物理化学特性而广泛应用于各行各业。然而,在生产、使用和丢弃含有工程纳米材料产品的过程中不可避免地导致纳米材料释放到水环境中。工程纳米材料已在世界多地的水环境中被检测到,给水生态系统和人体健康带来潜在风险。由于水环境的复杂性,工程纳米材料在水体中的环境行为、毒性效应等生态风险还未得到充分的研究。本文以微藻为模型生物,总结了典型工程纳米材料,包括纳米金属、纳米氧化物、碳纳米材料以及量子点的毒性效应。探讨了工程纳米材料在水中的环境行为以及与其它污染物的复合毒性效应,讨论了工程纳米材料自身理化性质和环境因素对其毒性的影响。从生理指标和组学指标出发分析了工程纳米材料对微藻的毒性机制,并展望了工程纳米材料毒性研究的发展方向,以期为工程纳米材料的毒性评价提供一定的理论依据,促进纳米材料的绿色发展。     

一种优化设计的人工纳米材料遗传毒性评估方法及应用

通过优化设计的蚕豆根尖微核技术监测了3种典型的人工纳米材料的遗传毒性,以期该方法可以作为人工纳米材料遗传毒性评估的实验教学方法,并能够推广使用。通过反复的实验,对传统的蚕豆根尖微核技术进行了优化设计,并用这种优化设计的蚕豆根尖微核技术对纳米铜、纳米氧化锌和纳米二氧化硅3种人工纳米材料的遗传毒性进行了评估。结果表明:(1)优化了传统的蚕豆根尖微核技术的关键步骤,如:震荡设置、染毒时根尖长度、解离、染色时间等;(2)3种纳米材料均能诱发较高的微核效应,且微核千分率比较:纳米铜>纳米氧化锌>纳米二氧化硅;(3)同种纳米材料不同浓度与阴性对照均有极显著性差异(p<0.01);同种浓度的3种不同纳米材料间的微核率有显著或者极显著差异(p<0.05或p<0.01),均有统计学意义;(4)采用优化的蚕豆根尖微核技术去评估人工纳米材料的遗传毒性具有很强的操作性和科学性。通过该文的研究,以期优化的蚕豆根尖微核技术能够得到更广的应用,并为今后纳米材料遗传毒性和安全性的评估提供依据和方法。     

关于我国纳米生物效应与安全性研究的思考

我国纳米生物效应与安全性研究现状 进入21世纪,我国开始高度关注纳米生物效应与安全性的研究。2001年11月,中科院高能物理所完成了“关于纳米尺度物质生物毒性的研究报告”。2005年4月,首批《纳米材料技术标准》正式实施,成为促进纳米技术进一步安全发展的关键。2006年6月22日,中国科学院高能物理所正式建立“纳米生物效应与安全性联合实验室”,开展纳米材料的生物负效应以及纳米生物负效应的反向应用研究,     

纳米二氧化钛的毒性研究进展

随着纳米技术的迅猛发展,纳米材料越来越广泛地应用于社会科技生活的各个领域,在给人们生活带来便利的同时,纳米毒性也日益受到越来越广泛的关注。然而目前纳米毒性关注的焦点多集中在碳纳米管等早先发现的纳米材料上,却对纳米TiO2这一取得方便、制备容易、应用广泛、产量最大的纳米材料关注不足。本文从细胞水平和在体水平综述了纳米TiO2毒性研究进展,阐述了纳米TiO2对人体及其它生物潜在的生物效应,并提出对纳米TiO2进行安全性评估的必要性。     

生物炭纳米复合材料去除环境中有机污染物研究进展

近年来,生物炭在环境修复、固碳、土壤改良等方面的得到广泛应用,与纳米材料联合制备的新型生物炭纳米复合材料使原生生物炭的比表面积、孔隙结构、官能团、催化降解能力等方面都有了较大改善,具有更好的可持续性和高效性,对环境中有机污染物具有良好的去除能力。本文介绍了生物炭纳米复合材料的不同制备工艺,重点阐述了生物炭纳米复合材料对不同环境介质中有机污染物的去除机理及应用,为后续生物炭纳米复合材料在环境修复应用的工程化和商业化提供理论依据和技术参考。     

纳米材料的表面修饰和表征技术

介绍了纳米粒子的表面改性及表面修饰的目的和方法,并对纳米微粒表面改性的各种方法原理及其特点进行了归纳;对纳米材料的常用分析和表征技术做了概括,主要从纳米颗粒的粒度测量、纳米微粒的表面分析、成分分析等方面进行了简要阐述;对纳米材料的表面修饰和表征技术的发展进行了展望。     

限域结构纳米复合材料及其吸附性能研究进展

纳米材料因其比表面积大和表面活性高，在水处理领域表现出了极具潜力的发展前景。利用空间限域结构来固定和分散纳米材料可有效解决纳米材料易团聚失活、操作分离困难和潜在环境风险等问题。文章综述了具有限域结构的纳米复合材料制备方法及其对水中污染物吸附性能的研究进展，从限域空间内纳米颗粒的尺寸调控与污染物的富集、限域空间中特异性的污染物分子结构和纳米材料晶体结构等多方面详细分析了纳米限域效应的环境行为及其对水环境中污染物去除的重要意义。根据分析可知，限域结构中的吸附机理、纳米复合材料在真实环境体系下的应用、材料的环境与健康风险等是未来该领域研究的重要方向和热点内容。     

纳米碳对土壤理化性质及其微生物的影响

纳米碳的纳米效应(表面、界面、尺寸效应)使其具有独特的理化性质,因而作为新型材料被广泛应用于药品制备、新能源、生态修复等领域。近年来,随着其特性被不断挖掘,纳米碳开始投入农业领域,成为新的研究热点。文章尝试厘清纳米碳对土壤的作用途径并综述各种类型的碳质纳米材料对土壤理化性质的具体影响。现有研究表明,将纳米碳施入土壤中,其pH值、阳离子交换量、保水性、营养元素的持留能力等方面均发生相应改变,可间接提高作物的产量。但与此同时,由于纳米碳对土壤微生物、酶活性存在扰动机理,潜在的环境风险还不完全清楚,该文通过指出目前研究存在的不足和需要加强的方面,为纳米碳的应用和推广提供一定的思路。     

磁性纳米颗粒在环境生物技术领域的应用

随着社会经济的发展,工农业等过程对环境造成污染的日益严重,对人体健康也会造成危害。近年来出现了许多新兴的环境污染处理技术,这些新兴技术能够对污染物进行高效修复,对环境污染小,成为当前国内外各专家学者的研究热点。磁性纳米颗粒具有小尺寸效应、表面效应以及磁学性质等特性,对污染物的吸附具有强化作用。环境生物技术处理效率高、无二次污染,也被广泛应用到环境治理中。文章介绍了磁性纳米颗粒的制备及其在水生物处理、土壤生物修复以及环境监测技术中的研究进展和应用,分析了纳米-生物联合技术的优势和缺陷及其应用发展前景,以期为环境污染治理提供新的思路。     

纳米零价铁的制备技术及其应用研究进展

纳米零价铁（nZVI）因具有还原性强、粒径小、比表面积大等特性,对重金属及含卤有机污染物等具有良好的吸附特性和反应活性,在环境修复方面表现出较好的应用前景。但nZVI易氧化、团聚和机械强度低等不利因素限制了其大规模应用。系统比较了机械法、气体冷凝法及还原法制备nZVI技术的特点,重点总结表面改性、金属改性、载体负载和基质封装等手段制备改性nZVI的研究进展,及其在水体及土壤环境修复方面的应用。     

Research progress and mechanism of nanomaterials-mediated in-situ remediation of cadmium-contaminated soil: A critical review

Cadmium contamination of soil is a global issue and in-situ remediation technology as a promising mitigation strategy has attracted more and more attention. Many nanomaterials have been applied for the in-situ remediation of cadmium-contaminated soil due to their excellent properties of the nano-scale size effect. In this work, recent research progress of various nanomaterials, including carbon nanomaterials, metal-based nanomaterials and nano mineral materials, in the removal of cadmium and in-situ remediation of cadmium-contaminated soil were systematically discussed. Additional emphases were particularly laid on both laboratory and field restoration effects. Moreover, the factors which can affect the stability of cadmium, main interaction mechanisms between nanomaterials and cadmium in the soil, and potential future research direction were also provided. Therefore, it is believed that this work will ultimately contribute to the myriad of environmental cleanup advances, and further improve human health and sustainable development.     

生物炭固定化菌复合材料在环境修复中的应用研究进展

随着工业和农业的快速发展,环境污染日益严重,对生态安全和人体健康形成严重威胁.微生物修复是一种低价、绿色和易操作的技术,但微生物对高浓度污染物耐性低,造成修复效果差和周期长.由于生物炭的孔隙率高、官能团丰富和比表面积大,被认为是一种良好的吸附剂和固定化载体.通过微生物固定化技术将菌群定殖于生物炭上而制备生物炭固定化菌复合材料,结合了二者优势又克服菌群的缺点,展现了巨大的应用前景.通过系统论述生物炭固定化菌复合材料的制备方法和特征,评价生物炭固定化菌复合材料在环境修复中的效能,讨论环境因素对生物炭固定化菌复合材料去除水中污染物和修复污染土壤的效果影响,阐明生物炭固定化菌复合材料对废水处理与土壤修复的作用机制.     

重金属污染土壤修复技术的进展

目前，土壤的重金属污染已成为一个世界性的环境问题，引起了人们的高度关注。本文根据近年来国内外相关文献报道，对重金属污染土壤修复技术的进展情况作简要介绍和述评，指出各类技术的原理、优缺点和实用性，并重点介绍具有良好应用前景的电动修复技术和植物修复技术。     

植物促生菌在重金属生物修复中的作用机制及应用

重金属污染是导致生态和环境退化的主要因素之一.土壤重金属污染会降低土壤质量、农作物产量和品质,甚至威胁人类健康.因此,优化土壤重金属污染治理措施,对于农业高产优质可持续具有重要意义.诸多国内外学者在重金属污染植物修复方面开展了大量研究,但由于受土壤和气候环境条件的影响,其修复效率受到制约.微生物与植物的协同修复被认为是环境胁迫条件下提高重金属污染修复效率的一种有效手段.耐重金属的植物促生细菌（PGPB）不仅可以促进植物生长,提高对生物胁迫（如病原菌）和非生物胁迫（如干旱、高盐、极端温度和重金属等）的抗性,还可以改变土壤中重金属的生物利用度和毒性,从而提高植物对重金属的修复效率.系统地梳理了耐重金属的PGPB在促进植物生长,增强植物抗逆性和影响重金属生物利用度方面的作用机制,并进一步综述了近年来国内外关于PGPB在生态修复中的应用和研究进展.     

污染场地水平修复井技术的研究进展及应用实践

常用的污染场地原位修复技术主要通过竖直井实现,但竖直井修复技术存在单井接触范围小、精准度低、难以在地表设施较多的场地实施等问题。污染场地水平修复井技术通过水平定向钻进手段协同化学氧化/还原、气相抽提、地下水抽出处理等修复方式靶向去除场地土壤/地下水污染区域的污染物,克服了竖直井修复技术的不足,适用于在产设施和构筑物下方的土壤/地下水修复。针对该技术的应用原理、技术优势及局限性、国内外研究进展等方面进行探讨。该技术在J省N市某石油烃污染场地进行了工程示范,并结合软件模拟论证,采用水平修复井技术协同碱活化的过硫酸钠药剂注入。结果表明：该技术的实施不受修复区域地表市政设施的限制,对场地及周边环境扰动小,单井接触范围大,修复精度更高,工期100 d内石油烃浓度降低了96.47%,达到修复目标值。该技术的成功示范可为我国原位修复技术的发展提供切实可行参考,其推广和使用前景广阔。     

汞污染生物修复研究进展

汞污染的人为来源主要包括化石燃料燃烧、矿产开采与加工、垃圾焚烧及涉汞产品的生产使用等。生物修复法因具有成本低、易操作、生态友好等优点,在汞污染的治理与修复中具有良好的应用前景。综述了环境中汞污染的主要来源和污染现状,分析总结了基于植物和微生物作用的生态友好型技术在汞污染土壤和水体修复中的应用及作用机理的研究进展,并提出汞污染生物修复中应进一步研究和实践的问题,旨在为汞污染的生物修复提供科学参考。     

Nanomaterials for environmental burden reduction, waste treatment, and nonpoint source pollution control: a review

Nanomaterials are applicable in the areas of reduction of environmental burden, reduction/treatment of industrial and agricultural wastes, and nonpoint source (NPS) pollution control. First, environmental burden reduction involves green process and engineering, emissions control, desulfurization/denitrification of nonrenewable energy sources, and improvement of agriculture and food systems. Second, reduction/treatment of industrial and agricultural wastes involves converting wastes into products, groundwater remediation, adsorption, delaying photocatalysis, and nanomembranes. Third, NPS pollution control involves controlling water pollution. Nanomaterials alter physical properties on a nanoscale due to their high specific surface area to volume ratio. They are used as catalysts, adsorbents, membranes, and additives to increase activity and capability due to their high specific surface areas and nano-sized effects. Thus, nanomaterials are more effective at treating environmental wastes because they reduce the amount of material needed.