引言
在很多普通读者的印象中，纳米材料属于高科技，此种高新技术虽然广泛应用于社会生活的各个方面，但仍然如旧时的王谢堂前燕，寻常百姓难以窥见其真面目。在中国全面启动的“向污染宣战”的环境大战中，也少不了它的身影，据了解，纳米材料由于其独特的物理化学性质，不仅克服了传统修复技术的不足，而且表现出更高的修复效率。因此,利用纳米材料对污染环境进行修复已成为当今环境领域的研究热点。
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 巨大比表面积助力环境修复
土壤纳米颗粒泥浆(上)用于去除日本水塘里的磷(下图)
记者：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
记者：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。
C3反应修复污染土壤 难度高于净化海水
矿物型纳米材料用于新西兰富营养化湖泊的修复
记者： 前不久国家海洋局发布了《2013中国海洋环境状况公报》，《公报》显示我国近海污染也比较严重，您研究过纳米粘土去除废水中的磷，那么纳米粘土是否也可以应用于近海污染修复中，这与土壤修复有何异同点呢?
袁国栋老师：我国海岸带地区集中了全国50%以上的大城市、约40%的人口和62%的国内生产总值。近海污染普遍而且严重，沿海11个省、市、自治区已经找不到没有污染的海域。污染物包括营养盐(N、P)、重金属、有机污染物、溢油、细菌和病毒等。以渤海为例，大规模开发利用的时间不到30年，但其污染的程度已经触目惊心：褐潮、绿潮、赤潮三潮齐发，实为世界罕见。由于污染面积大、程度深，近海污染治理会费时费力、耗资巨大。
但是，我们从C3反应的自然规律出发，或许可以尝试比较简单和花费较少的一个办法：让黄河之水和泥沙不加截留地流入渤海一年，利用泥沙中的粘土矿物-碳复合体清除渤海中营养盐、重金属、有机污染物、细菌和病毒污染物。这一设想目前还没有被专家和官员门认可。
但事实情况是近几十年因为水利工程等因素，黄河入海泥沙量有亿吨级/年的减少。渤海中少了数亿吨的吸附剂，进入渤海的污染物无处可去，只好留在海水中，消灭鱼类、产生三潮、危害人类。粘土矿物用于水体和土壤修复，其共同原理是利用粘土矿物的吸附能力将污染物固定、转化，降低它们的生物有效性。从技术方面讲，修复土壤比修复水体更难、更费时，因为土壤是不动的，而水体是流动的;土壤的缓冲容量比水体大,因而滞后效应更大、更难修复。
纳米材料虽有局限性 但前景广阔 亟待认可
记者：虽然纳米材料可以应用于环境修复，但它们自身对环境有何要求，它们的适应性和环境稳定性如何呢?有何负面效应?
袁国栋老师：人工合成的纳米材料因为表面活性大，自身不是很稳定。比如，小颗粒会形成更大的团聚体，其功能会变差。另外，光催化纳米材料需要在紫外光或者可见光环境里才会起作用，在深水区或土壤里基本没有效果。
金属和金属氧化物纳米材料在酸性环境里会逐渐消失，溶解的金属离子可能会对微生物有影响，也可能影响别的元素的地球化学行为，还有可能被植物吸收，这方面缺乏长期的观测资料。加入土壤的纳米材料很难被分离出来，这和废水处理中磁性纳米颗粒可以回收的情况有所不同。
记者：如今环境修复材料有很多种，纳米材料在其中有着独特的优势和特性，那么您认为纳米材料在环境修复中的前景如何呢?
袁国栋老师：纳米材料具有相同成分的大宗材料所没有的光、电、磁、催化特性，在环境修复中有着独特的优势。
在大气和水体的污染修复中，这种优势可以充分地发挥出来。限制其应用的主要是成本和社会方面的因素。土壤修复比大气和水体修复更为困难，需要先将污染物从土壤固相转移到液相才能发挥纳米材料的功效。
随着民众对环境质量期望的日益提高、经济的进一步发展、修复技术的不断改进，纳米材料在污染控制和环境修复中的应用将更为普遍。有些应用是民众能感受到的，如室内空气净化器中使用的光催化材料;更多的是民众没有注意到的，如汽车尾气处理、电厂废气处理、电镀/纺织等行业的废水处理等。
除了技术因素，纳米材料在污染控制和环境修复中的应用前景更多地受环境立法和执法的影响。完善的立法和严格的执法是环保产业快速发展的根本保障。
从经济有效性考虑，污染控制应当走在环境修复前面。只有污染得到了有效的控制，修复才有意义。同时，我们要更加注重天然纳米颗粒在污染控制和环境修复方面的应用。由于天然纳米颗粒广泛存在于土壤、泥沙、沉积物等自然体，数量巨大、没有制造成本，如何有效地将它们用于环境修复(尤其是土壤修复)既是一个有趣的科研方向，也具有重要的经济和社会价值。
最后，我们的生活方式和消费行为需要更加环保，不必要的飞行和开车、水电和食物的浪费、过快地更换电子产品都直接或间接地增加污染物的排放、加重环境污染。“地力之生物有大限，取之有度，用之有节，则常足。取之无度，用之无节，则常不足。”精辟地总结了生活方式对环境的影响。
原标题：揭开纳米材料运用于环境修复的神秘面纱
