环境

伴随着越来越多关于全球变暖，空气、水和土壤污染，以及与此同时对日益增长的人口的安全环境和粮食供应的压力越来越大的新闻报道，环境科学和环境卫生越来越受到人们的关注。

随着全球对环境和安全问题认知的日益增强，我们不仅认识到必须积极主动地采取措施预防环境污染和保护公众健康，而且必须改正几十年前作出的一些错误决定。今天我们感谢那些帮助清理被污染的空气和水，净化土壤和取代我们周围如玩具、服装、化妆品、护肤品和食品中的危险化学品的需求。

在这些领域中，纳米材料的相互作用起着至关重要的作用，对这一领域的深入了解将对表征、评估、预测和风险控制做出重要贡献—在确保未来的健康和安全以及清除过去产生的污染方面。

[环境/纳米毒理学]

如今，纳米颗粒在我们身边无处不在。 这些微小的颗粒已经进入防晒霜，食品包装，药品，服装和涂料等产品中，并且不断地进入新的领域。然而，有意和无意地暴露纳米颗粒的潜在风险还没有得到充分的评估。，这也引起了对纳米毒理学的更多关注

纳米技术是相对较新的科学领域，它利用了材料性质随着尺寸从宏观缩小到纳米级而变化的事实。 工程纳米材料的理想性能在许多不同的领域得到了应用，并且他们一直在寻找新的应用方法。 不仅仅是纳米材料的使用和传播在增加，纳米尺寸的物体也可能产生燃烧和机械磨损等过程的副作用。

其结果是纳米材料在我们的周围环境以及环境中不断扩大和释放，这会增加纳米粒子的暴露量。然而，这些令人满意的新材料特性却伴随着未知的方面。人们常常不知道这些粒子在整个生命周期中是如何相互作用和行为的。大量的精力和资源都集中于纳米毒理学，用于评估故意以及无意的纳米材料的暴露的影响，以确保这对人类和环境是安全的。

表征纳米颗粒与周围环境的相互作用

在纳米安全性评估中，了解纳米颗粒在暴露环境下的行为方式至关重要。他们需要在相关的生物环境中进行研究，在这些环境中可以监测纳米粒子与它们在其整个生命周期中遇到的分子之间的相互作用。与周围环境的相互作用的本质取决于纳米颗粒材料、尺寸、表面电荷和功能化以及周围环境例如pH。纳米颗粒释放出来后会开始吸附有机和无机材料，形成一个新的界面，即所谓的电晕或生物电子层，从而赋予环境新的特性。 QSense QCM-D可以研究纳米颗粒与周围环境之间的这类相互作用，例如，在本研究中对纳米颗粒在人体消化系统中的生物可耐受性进行了评估。这篇博文还回顾了在相关背景下与纳米粒子相互作用的几个例子。纳米颗粒对磷脂膜的影响也已用Langmuir槽进行了成功的研究。

[环境/水和土壤的净化]

水和土壤是确保我们人类和其他生物在这个星球上的健康和福祉所需的两大要素。 这两个领域不仅为我们的生存和发展提供了环境，而且健康的土壤和清洁的水是为我们和后代保证食物链的先决条件。 然而今天，水和土壤的环境污染日益受到关注。

环境污染是人为的，源自一系列的源头。 工业释放有毒副产品和污染废水，农业肥料和农药渗入地下。其他的来源是未经处理的污水、石油泄漏、放射性污染和酸雨，所有这些都对人类健康造成危害。当我们看到人口增长和全球财富增长的同时，我们目睹了这两个最重要的自然资源的退化。 世界上更多的人和由更多的人导致的高消费生活方式对用以支持日益增长的消费和不断变化的消费习惯的可用资源施加压力。为了满足消费需求并确保健康土壤和清洁水的供应，需要清理污染的水和土壤。

水的净化和过滤

洁净水是一种日益稀缺的资源。 对高质量的水的需求不仅是为地球上越来越多的人提供饮用水，而且还可支持高消费的生活方式的食品服装的生产和农业。 为了确保子孙后代有可持续的水供应和为水生生物提供安全的栖息地，我们需要提高资源利用率并回收我们使用过的水。我们还需要净化已经污染的水源，如河流、湖泊和海洋。在淡水供应不足的地区，回收再利用和海水淡化可以为消费需求提供解决方案。

处理水污染物的一个有效方法是膜过滤，膜过滤可用于水回收、再利用以及海水淡化。 QSense QCM-D可用于过滤膜的开发和评估，表征膜溶胀和过滤性能，例如用于海水淡化和废水处理的反渗透膜以及膜污染。

土壤净化

土壤修复是用不同方法移除或纯化被污染土壤的过程。 生物修复是土壤净化最有意义的方法之一。 在生物修复中，微生物被用来分解土壤中的污染物。 生物修复常用于处理有机污染物如石油和石油基燃料。

生物修复的主要困难是污染物的可用性，因为这些疏水性化合物与土壤颗粒结合并且在水中具有低溶解度。为了增强污染物与微生物的接触，从而降解，一般会使用表面活性剂。 表面活性剂可用于增强石油烃的解吸附和溶解性，从而促进其被微生物同化。

大多数市售表面活性剂由石油副产物合成。 然而，越来越多的环境问题导致可替代的天然表面活性剂的研发来取代现有产品。这些生物表面活性剂通常是糖脂、脂蛋白、磷脂、脂肪酸或其化学性质的聚合物。 在低浓度下，生物表面活性剂可溶于水，但浓度较高时会形成胶束。胶束形成的点称为临界胶束浓度（CMC）点。 通常测量生物表面活性剂溶液的临界胶束浓度，因为石油烃的溶解通常发生在CMC上方。从经济和环境的角度来看，尽可能少地使用少量的表面活性剂是很重要的。

[环境/碳的封存]

随着全球变暖及其对地球的影响日益受到关注，温室气体（主要是二氧化碳）的储存已成为许多研究小组的主题。 安全捕获二氧化碳并存储在深部盐碱含水层中被认为是控制向大气排放碳的可行手段。

考虑进行地质封存的潜在地下系统之一涉及深部盐碱含水层。 为了成功实现二氧化碳封存，需要确保二氧化碳的长期捕获。 这需要了解可以保存二氧化碳的所有物理和化学捕集机制。在不可渗透的封闭层下捕获二氧化碳或者在含水层孔隙中的固定二氧化碳具有最大和最直接的影响。 两种捕获机制的有效性取决于毛细压力，因此二氧化碳-盐水和二氧化碳-岩石之间的界面张力性质起着重要作用。 了解这些相互作用需要在高温和高压下进行测量，以模拟蓄水条件。

高压下CO2-盐水（ 岩石）相互作用

对CO2-盐水界面张力与压力，温度，盐分组成和浓度的函数关系进行了研究。 图1展示了典型的界面张力测量数据，数据显示在120bar左右的压力下界面张力值达到平衡。

CO2-水和CO2-盐水之间的界面张力（35,000 ppm）与压力的函数关系（45°C）

润湿性通常被定义为一种流体在另一种不相容流体存在下铺展并粘附到固体表面的趋势。 在含水层的情况下，需要考虑盐水 – 二氧化碳-岩石系统。 如果岩石是水湿的，盐水会占据小孔并与大部分岩石接触。 同样，如果注入的CO2最终会弄湿岩石，它将占据小孔并与大部分岩石接触。 通过在高压和高温下测量盐水中矿物表面上CO2的接触角来研究润湿性的变化。

[环境/生物污染和生物膜的评估]

自然发生的生态系统之外的生物污染和生物膜形成是一种危害。细菌菌落的积聚（通常在工业环境中）会降解底层材料，造成腐蚀和材料失效。

这会导致生产损失和成本增加。 此外，它还会造成健康风险，例如降低过滤膜性能，影响膜通量，从而影响饮用水质量。

生物膜作为较大生态系统的一部分大量存在，但这些微生物束也能在人造建筑中生存和繁殖，这些人造建筑物为微生物提供了潮湿和营养的环境。 废水径流、使用水冷管道的生产设施、其他管道系统（如输水管道或输油管道）以及用于废水过滤的膜生物反应器和反渗透膜等膜系统通常都会受到影响。 由于生物污染造成的损失成本非常巨大，对人类生命和健康构成风险的后果非常严重。 因此，了解和预防生物污染现象是非常有意义的。

生物污染，生物膜形成和防污涂料的表征

生物膜是膜和过滤工艺有效性的主要障碍。例如，影响膜生物反应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质引起的膜污染。膜清洗虽然已被广泛研究，但防止污染的方法更具吸引力。因此，为了确保膜的最佳长期性能，理解和表征如何最小化和预防污染和生物膜形成的条件是有意义的。可以通过QSense QCM-D（一种可用于表征结垢和污染过程以及检测生物膜形成的技术）测量细菌附着和生长来收集有助于更好地理解膜表面特性与污染倾向之间关系的信息。该技术还可用于评估阻垢剂和防污方案，以及帮助设计防污膜涂层等。

接触角用于膜的表征

由于诸如无机物（盐，沉淀物如金属氢氧化物和碳酸盐）有机物，胶体（悬浮颗粒如二氧化硅），微生物污染物和颗粒在膜表面上或通过块状物形成的污垢阻塞孔隙而导致膜污染。 由于大多数污染物本质上是疏水性的，通常认为需要亲水性膜。 利用不同类型的涂层和表面处理可使膜更亲水。 通常使用接触角测量来评估表面亲水性。

[环境/脱墨]

脱墨是一种从再生纸纤维中去除油墨以制造脱墨纸的工业过程。

脱墨中的浮选过程

泡沫浮选是常用的脱墨工艺。 它源自采矿业通常使用的浮选工艺。 浮选过程的原理很简单：在浮选罐中，细小的气泡分散在纸浆中。 气泡会上升，聚集疏水墨水颗粒。 因此，油墨颗粒被提升到油罐的顶部从而被挑选出来，去墨的纸浆则从罐底被收集。

分散的气泡在这个过程中起着关键作用。 它们的性质受到由水和浮选试剂组成的流体介质成分例如起泡剂，收集剂，抑制剂等的强烈影响。在所有这些试剂中，起泡剂是影响起泡形成和行为的表面活性物质。 起泡分子吸附在气泡表面上形成吸附层。在吸附过程中，表面张力下降直至达到平衡值。在动态条件下，表面活性剂从溶液中吸附和解吸附的动力学对气泡行为有重要影响。了解吸附层的流变性质对于表征商用表面活性剂很重要。

下载应用文摘：振荡液滴技术在表征浮选过程中表面活性剂行为的应用。