伴隨著越來越多關(guān)于全球變暖，空氣、水和土壤污染，以及與此同時(shí)對日益增長的人口的安全環(huán)境和糧食供應(yīng)的壓力越來越大的新聞報(bào)道，環(huán)境科學(xué)和環(huán)境衛(wèi)生越來越受到人們的關(guān)注。

隨著全球?qū)Νh(huán)境和安全問題認(rèn)知的日益增強(qiáng)，我們不僅認(rèn)識到必須積極主動(dòng)地采取措施預(yù)防環(huán)境污染和保護(hù)公眾健康，而且必須改正幾十年前作出的一些錯(cuò)誤決定。今天我們感謝那些幫助清理被污染的空氣和水，凈化土壤和取代我們周圍如玩具、服裝、化妝品、護(hù)膚品和食品中的危險(xiǎn)化學(xué)品的需求。

在這些領(lǐng)域中，納米材料的相互作用起著至關(guān)重要的作用，對這一領(lǐng)域的深入了解將對表征、評估、預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)控制做出重要貢獻(xiàn)—在確保未來的健康和安全以及清除過去產(chǎn)生的污染方面。

[環(huán)境/納米毒理學(xué)]

如今，納米顆粒在我們身邊無處不在。 這些微小的顆粒已經(jīng)進(jìn)入防曬霜，食品包裝，藥品，服裝和涂料等產(chǎn)品中，并且不斷地進(jìn)入新的領(lǐng)域。然而，有意和無意地暴露納米顆粒的潛在風(fēng)險(xiǎn)還沒有得到充分的評估。，這也引起了對納米毒理學(xué)的更多關(guān)注

納米技術(shù)是相對較新的科學(xué)領(lǐng)域，它利用了材料性質(zhì)隨著尺寸從宏觀縮小到納米級而變化的事實(shí)。 工程納米材料的理想性能在許多不同的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并且他們一直在尋找新的應(yīng)用方法。 不僅僅是納米材料的使用和傳播在增加，納米尺寸的物體也可能產(chǎn)生燃燒和機(jī)械磨損等過程的副作用。

其結(jié)果是納米材料在我們的周圍環(huán)境以及環(huán)境中不斷擴(kuò)大和釋放，這會增加納米粒子的暴露量。然而，這些令人滿意的新材料特性卻伴隨著未知的方面。人們常常不知道這些粒子在整個(gè)生命周期中是如何相互作用和行為的。大量的精力和資源都集中于納米毒理學(xué)，用于評估故意以及無意的納米材料的暴露的影響，以確保這對人類和環(huán)境是安全的。

表征納米顆粒與周圍環(huán)境的相互作用

在納米安全性評估中，了解納米顆粒在暴露環(huán)境下的行為方式至關(guān)重要。他們需要在相關(guān)的生物環(huán)境中進(jìn)行研究，在這些環(huán)境中可以監(jiān)測納米粒子與它們在其整個(gè)生命周期中遇到的分子之間的相互作用。與周圍環(huán)境的相互作用的本質(zhì)取決于納米顆粒材料、尺寸、表面電荷和功能化以及周圍環(huán)境例如pH。納米顆粒釋放出來后會開始吸附有機(jī)和無機(jī)材料，形成一個(gè)新的界面，即所謂的電暈或生物電子層，從而賦予環(huán)境新的特性。 QSense QCM-D可以研究納米顆粒與周圍環(huán)境之間的這類相互作用，例如，在本研究中對納米顆粒在人體消化系統(tǒng)中的生物可耐受性進(jìn)行了評估。這篇博文還回顧了在相關(guān)背景下與納米粒子相互作用的幾個(gè)例子。納米顆粒對磷脂膜的影響也已用Langmuir槽進(jìn)行了成功的研究。

[環(huán)境/水和土壤的凈化]

水和土壤是確保我們?nèi)祟惡推渌镌谶@個(gè)星球上的健康和福祉所需的兩大要素。 這兩個(gè)領(lǐng)域不僅為我們的生存和發(fā)展提供了環(huán)境，而且健康的土壤和清潔的水是為我們和后代保證食物鏈的先決條件。 然而今天，水和土壤的環(huán)境污染日益受到關(guān)注。

環(huán)境污染是人為的，源自一系列的源頭。 工業(yè)釋放有毒副產(chǎn)品和污染廢水，農(nóng)業(yè)肥料和農(nóng)藥滲入地下。其他的來源是未經(jīng)處理的污水、石油泄漏、放射性污染和酸雨，所有這些都對人類健康造成危害。當(dāng)我們看到人口增長和全球財(cái)富增長的同時(shí)，我們目睹了這兩個(gè)最重要的自然資源的退化。 世界上更多的人和由更多的人導(dǎo)致的高消費(fèi)生活方式對用以支持日益增長的消費(fèi)和不斷變化的消費(fèi)習(xí)慣的可用資源施加壓力。為了滿足消費(fèi)需求并確保健康土壤和清潔水的供應(yīng)，需要清理污染的水和土壤。

水的凈化和過濾

潔凈水是一種日益稀缺的資源。 對高質(zhì)量的水的需求不僅是為地球上越來越多的人提供飲用水，而且還可支持高消費(fèi)的生活方式的食品服裝的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)。 為了確保子孫后代有可持續(xù)的水供應(yīng)和為水生生物提供安全的棲息地，我們需要提高資源利用率并回收我們使用過的水。我們還需要凈化已經(jīng)污染的水源，如河流、湖泊和海洋。在淡水供應(yīng)不足的地區(qū)，回收再利用和海水淡化可以為消費(fèi)需求提供解決方案。

處理水污染物的一個(gè)有效方法是膜過濾，膜過濾可用于水回收、再利用以及海水淡化。 QSense QCM-D可用于過濾膜的開發(fā)和評估，表征膜溶脹和過濾性能，例如用于海水淡化和廢水處理的反滲透膜以及膜污染。

土壤凈化

土壤修復(fù)是用不同方法移除或純化被污染土壤的過程。 生物修復(fù)是土壤凈化最有意義的方法之一。 在生物修復(fù)中，微生物被用來分解土壤中的污染物。 生物修復(fù)常用于處理有機(jī)污染物如石油和石油基燃料。

生物修復(fù)的主要困難是污染物的可用性，因?yàn)檫@些疏水性化合物與土壤顆粒結(jié)合并且在水中具有低溶解度。為了增強(qiáng)污染物與微生物的接觸，從而降解，一般會使用表面活性劑。 表面活性劑可用于增強(qiáng)石油烴的解吸附和溶解性，從而促進(jìn)其被微生物同化。

大多數(shù)市售表面活性劑由石油副產(chǎn)物合成。 然而，越來越多的環(huán)境問題導(dǎo)致可替代的天然表面活性劑的研發(fā)來取代現(xiàn)有產(chǎn)品。這些生物表面活性劑通常是糖脂、脂蛋白、磷脂、脂肪酸或其化學(xué)性質(zhì)的聚合物。 在低濃度下，生物表面活性劑可溶于水，但濃度較高時(shí)會形成膠束。膠束形成的點(diǎn)稱為臨界膠束濃度（CMC）點(diǎn)。 通常測量生物表面活性劑溶液的臨界膠束濃度，因?yàn)槭蜔N的溶解通常發(fā)生在CMC上方。從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度來看，盡可能少地使用少量的表面活性劑是很重要的。

[環(huán)境/碳的封存]

隨著全球變暖及其對地球的影響日益受到關(guān)注，溫室氣體（主要是二氧化碳）的儲存已成為許多研究小組的主題。 安全捕獲二氧化碳并存儲在深部鹽堿含水層中被認(rèn)為是控制向大氣排放碳的可行手段。

考慮進(jìn)行地質(zhì)封存的潛在地下系統(tǒng)之一涉及深部鹽堿含水層。 為了成功實(shí)現(xiàn)二氧化碳封存，需要確保二氧化碳的長期捕獲。 這需要了解可以保存二氧化碳的所有物理和化學(xué)捕集機(jī)制。在不可滲透的封閉層下捕獲二氧化碳或者在含水層孔隙中的固定二氧化碳具有最大和最直接的影響。 兩種捕獲機(jī)制的有效性取決于毛細(xì)壓力，因此二氧化碳-鹽水和二氧化碳-巖石之間的界面張力性質(zhì)起著重要作用。 了解這些相互作用需要在高溫和高壓下進(jìn)行測量，以模擬蓄水條件。

高壓下CO2-鹽水（ 巖石）相互作用

對CO2-鹽水界面張力與壓力，溫度，鹽分組成和濃度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究。 圖1展示了典型的界面張力測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示在120bar左右的壓力下界面張力值達(dá)到平衡。

CO2-水和CO2-鹽水之間的界面張力（35,000 ppm）與壓力的函數(shù)關(guān)系（45°C）

潤濕性通常被定義為一種流體在另一種不相容流體存在下鋪展并粘附到固體表面的趨勢。 在含水層的情況下，需要考慮鹽水 – 二氧化碳-巖石系統(tǒng)。 如果巖石是水濕的，鹽水會占據(jù)小孔并與大部分巖石接觸。 同樣，如果注入的CO2最終會弄濕巖石，它將占據(jù)小孔并與大部分巖石接觸。 通過在高壓和高溫下測量鹽水中礦物表面上CO2的接觸角來研究潤濕性的變化。

[環(huán)境/生物污染和生物膜的評估]

自然發(fā)生的生態(tài)系統(tǒng)之外的生物污染和生物膜形成是一種危害。細(xì)菌菌落的積聚（通常在工業(yè)環(huán)境中）會降解底層材料，造成腐蝕和材料失效。

這會導(dǎo)致生產(chǎn)損失和成本增加。 此外，它還會造成健康風(fēng)險(xiǎn)，例如降低過濾膜性能，影響膜通量，從而影響飲用水質(zhì)量。

生物膜作為較大生態(tài)系統(tǒng)的一部分大量存在，但這些微生物束也能在人造建筑中生存和繁殖，這些人造建筑物為微生物提供了潮濕和營養(yǎng)的環(huán)境。 廢水徑流、使用水冷管道的生產(chǎn)設(shè)施、其他管道系統(tǒng)（如輸水管道或輸油管道）以及用于廢水過濾的膜生物反應(yīng)器和反滲透膜等膜系統(tǒng)通常都會受到影響。 由于生物污染造成的損失成本非常巨大，對人類生命和健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的后果非常嚴(yán)重。 因此，了解和預(yù)防生物污染現(xiàn)象是非常有意義的。

生物污染，生物膜形成和防污涂料的表征

生物膜是膜和過濾工藝有效性的主要障礙。例如，影響膜生物反應(yīng)器性能的最重要因素之一是由微生物分泌的胞外聚合物物質(zhì)引起的膜污染。膜清洗雖然已被廣泛研究，但防止污染的方法更具吸引力。因此，為了確保膜的最佳長期性能，理解和表征如何最小化和預(yù)防污染和生物膜形成的條件是有意義的?？梢酝ㄟ^QSense QCM-D（一種可用于表征結(jié)垢和污染過程以及檢測生物膜形成的技術(shù)）測量細(xì)菌附著和生長來收集有助于更好地理解膜表面特性與污染傾向之間關(guān)系的信息。該技術(shù)還可用于評估阻垢劑和防污方案，以及幫助設(shè)計(jì)防污膜涂層等。

接觸角用于膜的表征

由于諸如無機(jī)物（鹽，沉淀物如金屬氫氧化物和碳酸鹽）有機(jī)物，膠體（懸浮顆粒如二氧化硅），微生物污染物和顆粒在膜表面上或通過塊狀物形成的污垢阻塞孔隙而導(dǎo)致膜污染。 由于大多數(shù)污染物本質(zhì)上是疏水性的，通常認(rèn)為需要親水性膜。 利用不同類型的涂層和表面處理可使膜更親水。 通常使用接觸角測量來評估表面親水性。

[環(huán)境/脫墨]

脫墨是一種從再生紙纖維中去除油墨以制造脫墨紙的工業(yè)過程。

脫墨中的浮選過程

泡沫浮選是常用的脫墨工藝。 它源自采礦業(yè)通常使用的浮選工藝。 浮選過程的原理很簡單：在浮選罐中，細(xì)小的氣泡分散在紙漿中。 氣泡會上升，聚集疏水墨水顆粒。 因此，油墨顆粒被提升到油罐的頂部從而被挑選出來，去墨的紙漿則從罐底被收集。

分散的氣泡在這個(gè)過程中起著關(guān)鍵作用。 它們的性質(zhì)受到由水和浮選試劑組成的流體介質(zhì)成分例如起泡劑，收集劑，抑制劑等的強(qiáng)烈影響。在所有這些試劑中，起泡劑是影響起泡形成和行為的表面活性物質(zhì)。 起泡分子吸附在氣泡表面上形成吸附層。在吸附過程中，表面張力下降直至達(dá)到平衡值。在動(dòng)態(tài)條件下，表面活性劑從溶液中吸附和解吸附的動(dòng)力學(xué)對氣泡行為有重要影響。了解吸附層的流變性質(zhì)對于表征商用表面活性劑很重要。

下載應(yīng)用文摘：振蕩液滴技術(shù)在表征浮選過程中表面活性劑行為的應(yīng)用。