伴隨著越來越多關于全球變暖，空氣、水和土壤污染，以及與此同時對日益增長的人口的安全環境和糧食供應的壓力越來越大的新聞報道，環境科學和環境衛生越來越受到人們的關注。

隨著全球對環境和安全問題認知的日益增強，我們不僅認識到必須積極主動地采取措施預防環境污染和保護公眾健康，而且必須改正幾十年前作出的一些錯誤決定。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、護膚品和食品中的危險化學品的需求。

在這些領域中，納米材料的相互作用起著至關重要的作用，對這一領域的深入了解將對表征、評估、預測和風險控制做出重要貢獻—在確保未來的健康和安全以及清除過去產生的污染方面。

[環境/納米毒理學]

如今，納米顆粒在我們身邊無處不在。 這些微小的顆粒已經進入防曬霜，食品包裝，藥品，服裝和涂料等產品中，并且不斷地進入新的領域。然而，有意和無意地暴露納米顆粒的潛在風險還沒有得到充分的評估。，這也引起了對納米毒理學的更多關注

納米技術是相對較新的科學領域，它利用了材料性質隨著尺寸從宏觀縮小到納米級而變化的事實。 工程納米材料的理想性能在許多不同的領域得到了應用，并且他們一直在尋找新的應用方法。 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生燃燒和機械磨損等過程的副作用。

其結果是納米材料在我們的周圍環境以及環境中不斷擴大和釋放，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，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境是安全的。

表征納米顆粒與周圍環境的相互作用

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

[環境/水和土壤的凈化]

水和土壤是確保我們人類和其他生物在這個星球上的健康和福祉所需的兩大要素。 這兩個領域不僅為我們的生存和發展提供了環境，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，水和土壤的環境污染日益受到關注。

環境污染是人為的，源自一系列的源頭。 工業釋放有毒副產品和污染廢水，農業肥料和農藥滲入地下。其他的來源是未經處理的污水、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。當我們看到人口增長和全球財富增長的同時，我們目睹了這兩個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致的高消費生活方式對用以支持日益增長的消費和不斷變化的消費習慣的可用資源施加壓力。為了滿足消費需求并確保健康土壤和清潔水的供應，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的生活方式的食品服裝的生產和農業。 為了確保子孫后代有可持續的水供應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污染的水源，如河流、湖泊和海洋。在淡水供應不足的地區，回收再利用和海水淡化可以為消費需求提供解決方案。

處理水污染物的一個有效方法是膜過濾，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

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

生物修復的主要困難是污染物的可用性，因為這些疏水性化合物與土壤顆粒結合并且在水中具有低溶解度。為了增強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石油烴的解吸附和溶解性，從而促進其被微生物同化。

大多數市售表面活性劑由石油副產物合成。 然而，越來越多的環境問題導致可替代的天然表面活性劑的研發來取代現有產品。這些生物表面活性劑通常是糖脂、脂蛋白、磷脂、脂肪酸或其化學性質的聚合物。 在低濃度下，生物表面活性劑可溶于水，但濃度較高時會形成膠束。膠束形成的點稱為臨界膠束濃度（CMC）點。 通常測量生物表面活性劑溶液的臨界膠束濃度，因為石油烴的溶解通常發生在CMC上方。從經濟和環境的角度來看，盡可能少地使用少量的表面活性劑是很重要的。

[環境/碳的封存]

隨著全球變暖及其對地球的影響日益受到關注，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為是控制向大氣排放碳的可行手段。

考慮進行地質封存的潛在地下系統之一涉及深部鹽堿含水層。 為了成功實現二氧化碳封存，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捕集機制。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。 兩種捕獲機制的有效性取決于毛細壓力，因此二氧化碳-鹽水和二氧化碳-巖石之間的界面張力性質起著重要作用。 了解這些相互作用需要在高溫和高壓下進行測量，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關系進行了研究。 圖1展示了典型的界面張力測量數據，數據顯示在120bar左右的壓力下界面張力值達到平衡。

CO2-水和CO2-鹽水之間的界面張力（35,000 ppm）與壓力的函數關系（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。 如果巖石是水濕的，鹽水會占據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。

[環境/生物污染和生物膜的評估]

自然發生的生態系統之外的生物污染和生物膜形成是一種危害。細菌菌落的積聚（通常在工業環境中）會降解底層材料，造成腐蝕和材料失效。

這會導致生產損失和成本增加。 此外，它還會造成健康風險，例如降低過濾膜性能，影響膜通量，從而影響飲用水質量。

生物膜作為較大生態系統的一部分大量存在，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的環境。 廢水徑流、使用水冷管道的生產設施、其他管道系統（如輸水管道或輸油管道）以及用于廢水過濾的膜生物反應器和反滲透膜等膜系統通常都會受到影響。 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成風險的后果非常嚴重。 因此，了解和預防生物污染現象是非常有意義的。

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防污染和生物膜形成的條件是有意義的。可以通過QSense QCM-D（一種可用于表征結垢和污染過程以及檢測生物膜形成的技術）測量細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系的信息。該技術還可用于評估阻垢劑和防污方案，以及幫助設計防污膜涂層等。

接觸角用于膜的表征

由于諸如無機物（鹽，沉淀物如金屬氫氧化物和碳酸鹽）有機物，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致膜污染。 由于大多數污染物本質上是疏水性的，通常認為需要親水性膜。 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。

分散的氣泡在這個過程中起著關鍵作用。 它們的性質受到由水和浮選試劑組成的流體介質成分例如起泡劑，收集劑，抑制劑等的強烈影響。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。 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到平衡值。在動態條件下，表面活性劑從溶液中吸附和解吸附的動力學對氣泡行為有重要影響。了解吸附層的流變性質對于表征商用表面活性劑很重要。

下載應用文摘：振蕩液滴技術在表征浮選過程中表面活性劑行為的應用。