综述：纳米颗粒在水环境中的命运：稳定性、物理化学相互作用及分离方法

《Science of The Total Environment》：Fate of nanoparticles in aqueous environments: Stability, physicochemical interactions, and separation

纳米颗粒在水环境中的稳定性受pH、离子强度、天然有机物（NOM）及表面修饰（如聚合物、柠檬酸涂层）影响，导致聚集或溶解。去除方法包括凝聚/絮凝（效率受盐水或有机物影响）、高级氧化（能量消耗大）和磁分离（高选择性和效率但成本高）。研究强调需结合环境复杂性和表面特性优化去除策略。

　　纳米颗粒（NPs）在水环境中的持久性和稳定性是其在环境和健康领域产生影响的重要因素。随着纳米技术的快速发展，纳米颗粒的应用范围不断扩大，从材料科学、化学工程到环境科学、生物医学等多个领域。然而，这些广泛的应用也带来了纳米颗粒在环境中的释放，导致其在水体中长期存在，甚至可能生物累积。因此，理解纳米颗粒在不同水环境中的行为，评估其稳定性，并探索有效的去除方法，对于减少其对生态系统和人类健康的潜在风险至关重要。

纳米颗粒的稳定性主要受到其表面特性和环境因素的共同影响。在水环境中，纳米颗粒的稳定性取决于多种因素，包括pH值、离子强度、自然有机质（NOM）以及生物分子等。这些因素不仅影响纳米颗粒的分散状态，还决定了其是否容易发生聚集，从而影响其在水中的迁移能力、生物可利用性和毒性。对于未包覆的纳米颗粒而言，其表面特性尤为关键。如果表面具有较强的亲水性，可以增强其在水中的稳定性，因为亲水表面能够通过扩展与水分子的相互作用，形成更稳定的分散体系。相反，疏水表面则由于与周围水合层的相互作用较弱，导致纳米颗粒更容易发生聚集。这种现象在实际环境中尤为明显，例如在含有高浓度自然有机质的水体中，纳米颗粒的稳定性可能受到显著影响。

在研究纳米颗粒的稳定性时，许多学者关注的是其在合成水环境中的表现。然而，现实水环境远比实验室条件复杂，包含多种有机和无机成分，这使得纳米颗粒的行为更加难以预测。因此，本研究特别强调了在真实水环境条件下对纳米颗粒稳定性的评估，这不仅有助于理解纳米颗粒在自然水体中的行为，也为环境治理提供了更实际的参考。此外，纳米颗粒的表面修饰也对其稳定性产生重要影响。通过使用聚合物、柠檬酸、脂肪酸、右旋糖酐、海藻酸盐和季铵化合物等表面涂层材料，可以有效调控纳米颗粒的电荷特性、聚集行为以及与有机质的相互作用。这些涂层材料能够通过静电稳定或空间位阻效应，提高纳米颗粒在复杂水环境中的分散能力，从而降低其对环境和生物体的潜在危害。

纳米颗粒的聚集行为是其在水环境中稳定性变化的关键表现之一。当纳米颗粒的稳定性降低时，它们更容易形成较大的聚集物，从而限制其在水中的扩散能力。这种现象在自然界中尤为常见，例如在含有较高离子强度或有机质的水体中，纳米颗粒的聚集可能显著增强。纳米颗粒的聚集不仅影响其在水中的迁移能力，还可能改变其与生物体的相互作用方式。例如，银纳米颗粒（60纳米）、氧化铁纳米颗粒（40纳米）和二氧化钛纳米颗粒（216纳米）在自然水体中容易发生聚集，从而降低其对水生生物的暴露风险。然而，这种聚集也可能导致纳米颗粒的活性降低，进而影响其在某些应用中的效果。

为了有效去除纳米颗粒，研究人员开发了多种方法，包括凝聚/絮凝、高级氧化工艺（AOP）和磁分离等。其中，凝聚/絮凝是最常用的方法之一，通过调节水体的pH值、离子强度或其他环境参数，使纳米颗粒的稳定性降低，从而促进其聚集并便于去除。然而，这种方法在高盐度或有机质丰富的水体中可能效果不佳，因为这些条件会增强纳米颗粒的稳定性，降低凝聚效率。此外，凝聚/絮凝过程可能会导致污泥的生成，增加了后续处理的难度。

高级氧化工艺（AOP）是一种通过引入强氧化剂（如臭氧）来改变纳米颗粒表面化学性质的方法。臭氧等氧化剂可以破坏纳米颗粒的表面电荷结构，降低其稳定性，从而促进聚集。这种方法在某些情况下可以实现高效的纳米颗粒去除，但其能耗较高，并且可能产生有害的副产物，如过氧化物或自由基，对环境造成二次污染。因此，AOP的应用需要在去除效率和环境安全性之间进行权衡。

磁分离技术则提供了一种快速且选择性的去除方法，适用于具有磁性的纳米颗粒或经过功能化修饰的纳米颗粒。通过使用高梯度磁分离（HGMS）等技术，可以将纳米颗粒从水体中高效分离，去除率通常超过99%。然而，这种方法的应用范围有限，仅适用于特定类型的纳米颗粒，且需要专门的设备支持，增加了其在实际应用中的成本和技术门槛。

除了上述方法，研究者还探索了其他潜在的去除策略，如吸附、生物降解和光化学反应等。吸附是一种通过使用天然或合成吸附材料来捕获纳米颗粒的方法。这些材料可以与纳米颗粒发生物理或化学相互作用，从而将其从水体中去除。然而，吸附材料的选择和优化仍然是一个挑战，特别是在处理复杂水体时，需要考虑纳米颗粒的种类、表面性质以及环境条件等因素。

在实际应用中，纳米颗粒的去除需要综合考虑其稳定性和环境条件。例如，在处理含有高浓度有机质的水体时，纳米颗粒的稳定性可能受到显著影响，因此需要采用特定的去除方法。同时，纳米颗粒的去除效率还受到其尺寸、形状和表面电荷等因素的影响。较大的纳米颗粒由于其布朗运动减弱，更容易发生聚集，从而提高去除的可能性。相反，较小的纳米颗粒可能更难去除，因为它们在水中的扩散能力更强。

此外，纳米颗粒的环境行为还受到其表面化学性质的影响。例如，纳米颗粒的表面电荷可以影响其在水中的分散状态，从而改变其稳定性。当纳米颗粒的表面电荷为负时，它们可能更容易与带正电的生物分子或有机质发生相互作用，导致聚集。因此，调控纳米颗粒的表面电荷是提高其稳定性或促进其去除的重要手段。

纳米颗粒的环境行为研究也揭示了其在生态系统中的潜在影响。由于纳米颗粒的尺寸较小，它们能够更容易地进入生物体，进而引发一系列生物反应。这些反应可能包括氧化应激、细胞毒性、基因表达改变等。因此，纳米颗粒的环境行为不仅影响其去除效果，还可能对生态系统和人类健康产生深远影响。

综上所述，纳米颗粒在水环境中的稳定性是一个复杂且多因素影响的问题。为了有效管理纳米颗粒的环境风险，需要深入了解其在不同水环境中的行为，并开发高效、可持续的去除方法。未来的研究应进一步探索纳米颗粒在复杂环境中的动态变化，以及表面修饰对其稳定性的影响，以期为纳米技术的可持续发展提供科学依据和技术支持。