《Next Nanotechnology》：Nanobubbles in environmental remediation and sustainable technologies: A comprehensive overview of mechanisms, applications, and future prospects
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纳米气泡（Nanobubbles, NBs）是独特的充气胶体系统，在环境修复和可持续资源管理应用中具有显著潜力。与传统的曝气或固态纳米材料不同，NBs提供了高界面面积、延长的停留时间、增强的气体传递效率以及在复杂介质中的移动性，从而强化了氧化、还原和生物处理过
纳米气泡（Nanobubbles, NBs）是独特的充气胶体系统，在环境修复和可持续资源管理应用中具有显著潜力。与传统的曝气或固态纳米材料不同，NBs提供了高界面面积、延长的停留时间、增强的气体传递效率以及在复杂介质中的移动性，从而强化了氧化、还原和生物处理过程。本综述批判性地评估了NBs的生成方法、其物理化学行为、机制途径以及在地下水修复、土壤系统、水产养殖和生态修复中的环境应用。研究表明，NBs辅助系统可以在受控条件下改善氧气输送、氧化剂利用和污染物去除；然而，处理性能取决于气体类型、污染物类别、pH值、反应时间、基质组成和反应器设计。除了传统的氧气、臭氧和空气基系统外，氢纳米气泡（H?-NBs）已成为一个有前景的研究领域，因其支持还原性处理途径并缓解生物系统中金属诱导的氧化应激潜力。本综述的显著特点在于对气体特定功能、工程参数、机制不确定性和可持续性影响进行了全面比较。它还强调了标准化报告、活性氧（ROS）验证、中试规模证据以及这些技术的技术经济评估方面的显著不足。总体而言，本综述将NBs技术定位为一个有前景的低化学品和潜在低碳平台，用于污染控制、生态保护和可持续水管理。
**1. 引言**
全球实现环境可持续性的努力因水污染、土地退化、空气污染、资源稀缺、快速城市化、工业化和气候变化带来的日益增长的压力而 intensified。这些挑战加速了更清洁、更资源高效的技术开发，以促进环境修复、可持续生产和资源回收。在新兴方法中，纳米技术引起了相当大的关注，因为纳米尺度系统可以增强界面反应、质量传递、污染物去除和过程效率。在这一更广泛的领域中，纳米气泡（NBs）技术因其纳米尺度气相域在液体中的独特物理化学行为，已成为环境工程、农业、水产养殖和能源相关应用的有前景平台。NBs要么存在于固-液界面，要么存在于本体液相中。表面纳米气泡（Surface NBs）是附着在浸没固体表面上的 sessile 气相域，通常呈现球形帽状形态，而本体纳米气泡（BNBs）是自由分散在液体中的气相域。这一区分至关重要，因为这两种形式在形成、稳定性、动力学和功能相关性方面有所不同。表面纳米气泡（SNBs）主要与润湿、粘附、异质成核、电化学和表面介导反应等界面现象相关，而BNBs则与曝气、浮选、氧化、气体输送和其他依赖质量传递的过程特别相关。NBs研究已从早期的间接观察和关于其物理存在的相当大争论，发展到直接可视化和日益复杂的表征技术。它们的持久性在科学上仍然引人入胜，因为经典扩散理论预测，由于小曲率半径产生的高拉普拉斯压力，纳米尺度气泡会快速溶解。理论预期与实验观察之间的差异促使了对成核、界面电荷、气体过饱和、溶解动力学和稳定机制的广泛研究。因此，标准化术语至关重要。根据参考文献，气泡尺寸表示为体积等效直径，超细气泡被定义为直径小于1 μm的细气泡。这些超细气泡在科学文献中通常被称为NBs。微气泡占据从1 μm到小于100 μm的范围。因此，相关尺寸标准指的是气泡直径而非半径。尽管BNBs经常被报道在约50–200 nm范围内，但该区间代表的是常见的实验观察尺寸范围，而非正式的定义边界。BNBs的技术意义源于其独特的界面和传输特性。其亚微米尺寸、高比界面面积、低浮力、在液体中延长的停留时间以及大的气-液接触面积可以增强气体溶解、质量传递、氧气输送、浮选和界面介导反应。这些特性将NBs与固态光催化纳米材料（如二氧化钛（TiO?）、氧化锌（ZnO）、石墨相氮化碳（g-C?N?）、MXenes和金属有机框架）区分开来，后者主要通过光子吸收、电荷载流子产生、分离、迁移和表面氧化还原反应运行。相比之下，NBs主要作为充气胶体界面，强化气-液接触和相关的物理化学过程。这些特性支持了它们在水和废水处理、高级氧化过程、浮选、土壤修复、二氧化碳传递、氢相关技术、农业和水产养殖中的研究。在水生处理系统中，纳米气泡已被用于增强曝气、生物处理、污染物氧化和污染物分离，而在土壤中它们可能改善氧气传输、微生物活性和污染物解吸。农业研究报告了施用纳米气泡富集灌溉水后根区氧合、养分吸收和植物生长的改善，而水产养殖应用则侧重于溶解氧管理、水质改善和微生物调控。这些发展说明了基础纳米气泡科学向实际环境和生产系统的逐步转化。尽管取得了实质性进展，重要的科学和技术不确定性仍然存在。由于生成方法、气体组成、水化学、操作条件和分析技术的差异，所报道的纳米气泡特性和性能在研究之间差异很大。关于在复杂环境基质中的长期稳定性、与溶解有机物、悬浮颗粒和微生物的相互作用，以及在非均相介质（如土壤、沉积物、废水和湍流）中的行为，问题也持续存在。此外，气泡尺寸报告和表征方案的不一致继续阻碍研究之间的直接比较，而能源需求、过程可扩展性和操作可靠性限制了更广泛的实施。文献也仍然高度特定于行业，水处理、农业、水产养殖、修复和能源应用经常被独立审查。因此，纳米气泡生成、物理化学性质、界面行为和应用性能之间的关系仍未得到充分整合。因此，需要进行系统的跨学科综合，以区分已确立的机制与特定应用的观察结果，并确定NBs技术提供实质性环境和过程效益的条件。因此，本综述批判性地审视了NBs技术的科学基础和新兴应用，特别强调本体纳米气泡。它综合了关于其历史发展、与表面纳米气泡的区别、标准化尺寸分类、生成方法、物理化学特性、稳定机制以及与环境介质相互作用的最新知识。该综述进一步评估了它们在水和废水处理、环境修复、农业、水产养殖、资源回收和能源相关过程中的应用，同时评估了与表征、可扩展性、能源效率和实际实施相关的关键限制。通过将基础界面科学与面向应用的证据相结合，本综述旨在为评估NBs技术在清洁生产、循环资源利用、提高过程效率和环境韧性中的作用提供一个连贯的框架。
**2. NBs：对可持续性的重要性、性质及相互作用**
**2.1. 与环境可持续性的相关性**
气候变化、资源枯竭和污染步伐的加快推动了对创新修复技术的需求。2024年环境修复市场价值为1152亿美元，预计到2030年将达到1861亿美元，这得益于更严格的法规和日益增长的可持续性意识。然而，高成本、复杂的污染场景和基础设施差距仍然是重大挑战，特别是在全球南方，超过11亿人仍然无法获得清洁用水和卫生设施。微塑料等新兴污染物构成额外风险，包括细胞损伤和慢性疾病。如图1所示，NBs凭借其独特的物理和化学性质，在水和土壤系统中均增强了环境修复效果。其纳米级尺寸允许深入渗透到多孔材料（如土壤和沉积物）中，通过促进氧化剂、营养物和微生物的输送来增强污染物去除。
**2.2. 生成方法与基本性质**
**2.2.1. 合成技术**
通过检查工程属性，如主要能量输入、成核机制、外部气体供应需求以及可扩展性，可以更有效地比较NBs生成方法。这种方法优于基于物理、化学或机械特性的传统分类，因为这些类别在实际应用中经常重叠。表1列出了基于这些参数的代表性方法，以促进过程级比较和放大评估。NBs可以通过各种物理、化学和机械方法生产，每种方法都有不同的优势和机制，影响其尺寸、稳定性和潜在应用。主要合成技术包括物理方法（如超声波、激光和温差）、化学方法（如电化学、溶剂交换和化学反应）和机械方法（如搅拌、空化和压力变化）。物理方法依赖能量输入来生成NBs。例如，超声波诱导的NBs通过空化形成，其中高频声波产生并 collapsing 微气泡以产生稳定的NBs。相比之下，激光诱导的NBs利用等离子体纳米颗粒吸收激光能量，产生局部加热和蒸汽NBs，并对其尺寸和寿命进行精确控制。另一种物理方法，即温差法，基于固-液界面的热梯度，其中快速的温度波动促进NBs成核。涉及通过化学或电化学过程产生气体的化学方法不会化学改性形成NBs的气体。因此，NBs形成的机制仍然是物理过程，因为NBs是通过气体的释放或置换产生的，而气泡内容物没有任何化学转化。电化学技术在水电解过程中在电极上产生氢气和氧气NBs，气泡的尺寸和浓度通过电流密度和电解质组成来调节。溶剂交换方法通过用具有不同气体溶解度的另一种溶剂替换一种溶剂来生成NBs，从而在固-液界面产生均匀且稳定的NBs。尽管被称为“化学”方法，但这些方法依赖于物理溶解度梯度，因此属于物理原理。类似地，气体释放反应，如过氧化氢的分解，产生尺寸可变的NBs，通常用于工业氧化和化学合成。采用物理力产生NBs的机械技术可分为两类：（1）结合外部气体输入的技术，如搅拌、文丘里注入和膜扩散；（2）不需要气体输入但依赖于相变或压力变化的技术，如空化。搅拌方法利用高强度混合来生成NBs，其效率受混合速度和气体流速的影响。空化，包括超声和水动力，依赖于快速的压力变化形成充满蒸汽的空腔，这些空腔 collapse 成NBs，使其适用于可扩展的工业应用，如水处理。值得注意的是，前面在物理方法中提到的超声诱导空化，也属于机械方法类别。这突出了方法论上的一些重叠，因为它使用机械力（超声波）来产生物理效应（空化）。此外，压力变化方法涉及在气体饱和液体中快速减压，例如在文丘里喷射器中，以产生具有高气体传递效率的NBs，通常用于水产养殖和废水处理。基于膜的方法迫使气体通过多孔膜，提供对气泡尺寸和分布的精确控制，这对制药和食品加工很有价值。这些方法使用外部气体和机械流动控制，明确属于机械辅助物理技术类别。
**2.2.2. NBs的物理化学性质**
NBs具有独特的物理化学性质，使其有别于较大的微气泡和本体气相，显著影响其稳定性、反应性和潜在应用。这些性质包括尺寸、表面电荷（zeta电位）、疏水性、表面张力、气体溶解度、内压和界面气-液动力学。根据参考文献，超细气泡（UFBs），通常称为本体纳米气泡，其体积等效直径<1 μm。这是一个标准化的分类，而不是表明所有NBs都接近1 μm。实验生成的本体NBs通常报告在明显更小的尺寸，通常在100–200 nm左右，具体取决于生成方法、气体类型、溶液化学和测量技术。Zeta电位通常由于氢氧根离子吸附而呈负值，这可以防止聚并并增强污染物吸附。它受pH、盐、表面活性剂和温度的影响。升高的内压增加了气体溶解度。ROS的形成主要与 collapse 或外部刺激有关，并且是系统依赖性的且不确定的，特别是对于稳定的本体NBs。由于其极小的尺寸和低终端速度，表现出近似中性的浮力，允许在液体中均匀分散而不会快速上升到表面。这增强了它们与污染物和悬浮颗粒的相互作用。NBs表现出强的疏水相互作用，增强疏水性化合物的吸附和质量传递。降低的表面张力有助于稳定性和纺织品染色。由于升高的内压和稳定的气-液界面，维持高内部气体溶解度。低扩散速率减缓气体逸出，有助于其寿命和稳定性。NBs通常是直径提供高表面积与体积比的气体填充空腔，这增强了质量传递速率和反应性。这种高表面积对催化和污染物降解特别有利，因为快速气体交换和与污染物的相互作用至关重要。此外，其小尺寸允许它们在液体中长时间保持悬浮，克服浮力驱动的上升并增强其实用性。NBs通常具有强的负zeta电位，这是由于氢氧根离子在其气-液界面的选择性吸附和水分子解离。这种负电荷产生静电排斥，通过防止聚并和降低其溶解倾向来稳定气泡。Zeta电位也影响它们与带电污染物和纳米颗粒的相互作用，使其在浮选和水净化等应用中非常有效。
**2.2.3. 环境系统中NBs的检测与表征技术**
可靠的检测和表征对于确认NBs的存在、尺寸分布、浓度和物理化学性质至关重要，特别是在复杂的环境基质中。这仍然具有挑战性，因为许多分析技术检测到纳米尺度的散射实体，但没有直接确定其气体性质。在废水、地下水、土壤渗滤液和沉积物悬浮液中，胶体、有机聚集体、微生物和矿物颗粒可能产生与NBs相似的信号。因此，纳米尺度实体的检测应与确认它们是充气气泡区分开来。动态光散射（DLS）和纳米颗粒跟踪分析（NTA）广泛用于本体NBs表征。DLS通过布朗运动引起的散射光波动估计流体动力学直径，适用于快速评估尺寸和稳定性。然而，其基于集合的测量可能受到较大或强散射颗粒的影响。NTA跟踪单个散射物体，并提供粒径分布和数量浓度的估计值，在异质系统中提供改进的分辨率。然而，这两种技术都不能独立确认气体身份。因此，需要补充方法。原子力显微镜特别适用于表征表面NBs，而声学方法、谐振质量测量和压力响应实验利用气泡与非气态颗粒之间可压缩性和密度的差异。受控脱气或加压可以在疑似NBs群体溶解或可预测变化时提供额外证据。对于环境修复研究，多技术方法更可取。测量应报告气泡尺寸分布、数量浓度、分析方法、气体组成、相关的zeta电位、水化学、温度和样品制备。这种标准化表征提高了跨研究的可比性，并加强了对观察到的修复效应归因于NBs而非其他胶体成分。
**2.2.4. 活性氧（ROS）生成：证据、反证及检测局限性**
据报道，活性氧（ROS），包括羟基自由基（•OH）、超氧自由基（•O??）和单线态氧（1O?），存在于光催化和NB辅助系统中。然而，ROS生成的程度、来源和机制意义仍存在争议，因为现有证据因气体类型、反应器配置、水化学和检测方法而异。因此，ROS相关机制应根据证据强度来解释，而不是作为所有NBs系统的普遍特征。在臭氧基NBs系统中，ROS介导的氧化相对得到较好的支持，因为臭氧分解可以在合适的水性条件下产生次级氧化剂，特别是•OH。臭氧NBs系统中污染物降解的增强通常归因于改善的臭氧质量传递、更长的气体停留时间和增加的氧化活性。在这些情况下，当直接自由基检测、基于探针的测量和一致的淬灭结果与污染物降解数据相结合时，ROS生成得到更好的支持。相比之下，在氧气、空气和氢气基NBs系统中ROS的生成是不确定的。几项研究提出ROS可能通过气-液界面反应、表面电荷效应、瞬时 collapse 以及气泡生成过程中的物理化学变化形成。然而，这些途径在很大程度上仍然是假设性的，因为在环境相关条件下直接证据有限。一些证据还表明，气泡生成过程或相关的界面条件，而非稳定的NBs本身，可能解释了部分观察到的氧化活性。几个检测限制进一步使机制解释复杂化。许多研究从淬灭实验和基于探针的测定中推断ROS参与；然而，这些方法可能无法提供ROS产生的物种特异性或定量可靠的证据。例如，用于定量羟基自由基的香豆素探针方法可以产生多种羟基化产物，这些产物不被荧光均匀检测，可能导致•OH产生估计不准确。同样，基于淬灭的方法应谨慎解释，因为淬灭剂可能改变前体消耗或同时影响多种活性物种，使机制归因困难。此外，实际废水中的碳酸盐物种和复杂离子基质可以增强或抑制表观ROS介导的降解，具体取决于污染物结构，这进一步复杂化了解释。尽管原位电子顺磁共振（EPR）改进了实时自由基识别，但它仍然需要仔细解释复杂光谱。必须考虑ROS介导的降解是特定系统依赖的机制，而非适用于所有NB辅助过程的普遍途径。未来研究应整合互补分析技术，包括EPR、选择性探针、淬灭测试和降解产物分析。此外，区分气泡形成期间产生的ROS和气泡形成后产生的ROS至关重要。除了化学自由基的产生，NBs独特的物理行为对其性能有显著贡献。尽管尺寸小，NBs表现出高内压，如拉普拉斯方程所述，该方程将压力与表面张力和气泡半径联系起来。然而，这些颗粒在液体中的稳定性与经典模型（如亨利定律）相矛盾，后者预测它们在液体中快速溶解。这种稳定性归因于致密的界面气体层、高zeta电位以及显著降低的跨气泡边界气体扩散，使它们能够持续数周甚至数月。此外，其近似中性的浮力，源于其小尺寸和高表面电荷，最小化其终端速度，从而使它们能够在液体中长期悬浮。这种独特的性质组合支持高效气体传递、改善质量传输和增强化学反应，使其在曝气、污染物修复、氧合和废水处理等应用中非常有效。NBs还表现出强的疏水相互作用，增强疏水性化合物的吸附和质量传递速率，这对浮选和污染物去除特别有用。其降低的表面张力进一步支持其稳定性和与生物膜的相互作用，从而增强其药物递送和医学成像的潜力。此外，NBs尽管内压高，但由于稳定的界面气体层而保留气体，使其适用于需要受控气体释放的氧合和碳捕获。跨边界的气体扩散减少延长了这些材料在实际应用中的功能寿命。
**2.2.5. 控制NBs稳定性的因素**
NBs的稳定性受物理化学和环境因素组合的影响，每个因素在决定这些小型充气结构的持久性和功能性方面都起着关键作用。关键因素包括pH、温度、离子强度、表面活性剂、有机化合物和气体类型。在中性至弱碱性pH范围（6–9）内，NBs表现出高负zeta电位，增强静电排斥并防止聚并；相反，极端pH条件会减少这种电荷，导致快速聚集和 collapse。温度也通过影响表面张力和气体溶解度显著影响NBs稳定性；较低温度通常通过降低气体扩散速率和内压来支持更长的气泡寿命。离子强度影响双电层（EDL），其中较高的离子浓度压缩该层，减少排斥并促进气泡聚集，特别是在多价离子存在的情况下。表面活性剂和有机化合物扮演双重角色；它们可以通过形成防止聚并的保护层来稳定NBs，或者如果其浓度破坏表面电荷平衡则使其不稳定。例如，非离子表面活性剂，如聚乙二醇（PEG），通过降低表面张力提高稳定性，而阳离子表面活性剂通过中和其负电荷使气泡不稳定。最后，所用气体类型至关重要，因为低溶解度气体，如氮气，产生比高溶解度气体（如二氧化碳，它因快速气体交换而迅速溶解并 destabilizes）更稳定的NBs。
**3. NBs在环境修复中的应用**
**3.1. 水修复**
**3.1.1. 地表水和废水处理**
在过去十年中，NBs因其独特的物理化学性质而成为有前景的水净化和处理技术。NBs广泛用于提取或清洁含重金属的水。具有相对较大表面积与体积比的NBs增加了对污染物的反应性和接触效率。一些研究表明，这些气泡通过将重金属（如砷、汞和铅）转化为毒性较低或更易去除的形式来促进其氧化。例如，它们增强了水处理中氧化反应的效力，并随后允许沉淀或光催化降解。此外，一项日本案例研究使用NBs证明了其在处理重金属污染废水方面的有效性。例如，将NBs引入传统浮选过程显著提高了铜和锌等污染物的去除效率。该案例研究说明了NBs与传统修复方法的互补效应，代表了大规模工业废水处理的经济可行解决方案。作为一项试点研究，该技术在巴西用于处理与藻华和低氧水平相关的严重问题的富营养化湖泊。他们发现注入富含氧气的NBs的水提供了更有效的湖水深度循环，导致有害藻类物种显著减少和水质整体改善。这一过程有助于恢复湖泊的生态平衡并防止进一步的缺氧。这进一步证明了NBs解决复杂环境挑战（如营养污染和藻类过度生长）的非凡能力，而传统曝气难以应对。病原体去除是NBs用于水净化的另一个关键应用。NBs产生ROS，分解细菌和其他微生物的细胞壁，从而产生其抗菌特性。NBs已成功用于从山羊粪便中去除各种水传播病原体菌株，如大肠杆菌、沙门氏菌和轮状病毒，而无需使用化学品。除了堵塞，使用NBs进行去污过程有助于提高微生物去除效率。这最大限度地减少了化学处理（如氯化）典型的 undesirable 副产物的产生。因此，一系列积极发现使NBs成为环境和社会可持续的水处理解决方案，特别是在资源短缺地区。NBs在水处理和净化中的应用强调了重金属和病原体的去除。跨研究比较强调了在解释NBs性能时完整报告操作参数的重要性。例如，Kwon等人优化了用于苯、硝基苯和丁基羟基甲苯（BHT）污染地下水的氧气NBs，报告平均气泡直径为155 nm，数量浓度为6.59 × 10^8个气泡/mL，氧气释放半衰期约为50天。在这些受控条件下，柱实验显示，与常规氧气输送相比，好氧苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）降解显著增强。同样，臭氧基NBs系统的处理性能高度依赖于条件。对有机污染水和地下水的研究表明，去除效率随臭氧剂量、pH、盐度/水基质和反应时间而变化，而最近的工作进一步强调了污染物特定途径、界面效应和不同基质及氧化条件下自由基介导的降解行为。因此，跨BTEX和相关研究的有意义比较需要明确报告初始污染物浓度、气体类型、NBs尺寸分布、NBs数量浓度、反应时间、pH、氧化剂剂量、基质组成和对照处理。如果不报告这些参数，跨NBs、微气泡和传统曝气系统的BHT或相关污染物的直接比较仍然不可靠。
**3.1.2. NBs在地下水修复中的应用**
地下水污染构成持续的环境和公共健康风险，通常因传统修复方法的局限性而加剧，如反应动力学缓慢、污染物可及性差和运营成本高。作为回应，NBs技术已成为一种变革性方法，提供显著提高修复效率的独特物理化学性质。由于其小尺寸，NBs表现出异常高的表面积与体积比、高zeta电位和低浮力，使其能够保持悬浮在水中并渗透多孔介质。这些特性使地下区域能够均匀且长时间氧合，这对于刺激碳氢化合物、农药和其他有机污染物的好氧生物降解至关重要。此外，NBs的 collapse 产生ROS，特别是•OH，驱动持久性污染物（如氯化溶剂、石油碳氢化合物和合成抗氧化剂）的化学氧化。NBs在地下水修复中的应用包括空气喷射、化学氧化、溶气浮选和消毒。特别是，注入臭氧的NBs已被证明可有效降解弹性有机污染物，如BHT，通常通过避免二次污染和维持地下水地球化学而优于传统氧化剂。中试规模研究报告了矿山废水和合成样品中氨去除率高达99.1%，而含油污泥处理在两小时内实现了超过70%的石油碳氢化合物减少。除了有机污染物，NBs还有潜力去除无机污染物。例如，氢纳米气泡（H?-NBs）增强了反硝化并促进重金属去除，包括硝酸铜，在模拟养殖废水中实现了85.4%的总氮去除。这些结果强调了NBs作为主要和补充处理技术的多功能性。各种实验室和实地研究已证明使用微纳米气泡（MNBs）降解地下水中的有机污染物。有机化合物因工业排放、农业活动和石油泄漏而经常污染地下水。在这种情况下，NBs可以显著增强生物修复和化学氧化过程。例如，臭氧NBs已被证明可有效降解持久性有机污染物，包括苯、氯苯、硝基苯和BHT（一种合成抗氧化剂）。这些污染物通常因其高稳定性和毒性而难以用传统方法去除。ROS，特别是从臭氧MNBs产生的羟基自由基，在将这些污染物分解成危害较小的中间体或完全矿化它们方面起着关键作用。重要的是，NBs的小尺寸允许它们渗透土壤和沉积物基质，克服了原位生物修复中经常阻碍微生物活动的氧气限制。NBs可以作为氧气载体以及微生物和营养物的载体。例如，皂苷稳定的NBs悬浮液已成功将氧气和细菌输送到缺氧环境，显著降解菲等污染物。另一个好处是NBs与固-液界面的相互作用，它们可以增加疏水性污染物的解吸和溶解度，使其更容易被降解。这种增强的质量传递有助于更快、更完全地分解污染物。美国垃圾填埋场模型证明了NBs在污染地下水中的有效实施。在这项研究中，含有反应性聚合物的NBs被用于破坏地下水中的挥发性有机化合物（VOCs）和碳氢化合物。结果证明在短时间内污染物浓度迅速下降，证明NBs显著增强了化学氧化过程。这个例子展示了我们的技术如何从实验室规模应用到实际应用，比传统空气喷射等能源密集度较低且耗时较少的方法负担更小。NBs的实际部署已通过直接推进系统和循环井等注入方法实现。它们在异质含水层中传播同时保持反应性的能力允许有效处理大型污染物羽流。此外，与传统化学氧化剂不同，NBs不会引入有害副产物，使其成为污染水长期修复的环境安全选择。尽管有这些优势，但在复杂地质环境中优化NBs输送、为目标污染物微调气体组成以及确保可变水文地球化学条件下的长期稳定性方面仍然存在挑战。尽管如此，将NBs技术整合到地下水修复中代表了可持续和可扩展的地下清理的有前景途径。
**3.2. 土壤和沉积物修复**
**3.2.1. 有机污染物降解**
由工业活动、废物管理不足和农业径流引起的土壤污染构成重大环境风险，需要制定有效的修复策略来解决这些问题。NBs以其巨大的表面积和稳定性为特征，为增强土壤和水修复中的污染物降解提供了一种有前景的方法。富含NBs的水性悬浮液可以直接应用于受污染土壤，以改善污染物解吸、氧气输送、氧化剂传输和微生物活动。这些悬浮液可以改善疏水性有机污染物的动员和降解，这些污染物通常被土壤有机质、粘土矿物和低渗透性基质强烈保留。几项研究表明，NBs可以增加疏水性有机化合物的溶解度，并提高受污染场地碳氢化合物和农药的降解速率。原位挖掘对于广阔、偏远、通道受限的表面区域最具吸引力；因此，挖掘将是禁止性的。异地土壤净化涉及疏散受污染土壤进行处理。使用该技术时，土壤被挖掘并在受控条件下用富含NBs的水溶液处理。异地处理提供了更多关于修复过程的细节，涉及挖掘受污染土壤以将其清洗干净，然后将恢复的土壤返回地表。污染物在反应表面的吸附得到增强，从而加速修复过程。原位和异地NBs部署可以作为土壤污染的修复策略，具体取决于场地特定条件和污染物类型。NBs主要通过加速氧化反应来分解燃料油和各种石油基污染物，如碳氢化合物。这些NBs加速受污染土壤或地下水中碳氢化合物的氧化分解，特别是与臭氧和过氧化氢结合时。这种方法有助于去除BTEX，在污染环境中允许更高的提取效率。研究表明，NBs促进氧化剂和污染物之间更好的接触，导致更少和更快的碳氢化合物降解，即使在传统方法可能不太有效的低渗透性土壤类型中也是如此。此外，NBs应用已在土壤净化项目（主要用于农业目的）中报道。在一项类似研究中，在中国研究了NBs对土壤中持久性有机污染物（POPs）降解的影响。使用NBs与生物修复剂相结合，研究人员发现这种处理进一步刺激了微生物活动，与传统方法相比加速了POPs的降解速率。支持土地和协助土壤污染可以使使用NBs实现可持续农业。
**3.2.2. 重金属固定化**
全球已报告超过1000万个土壤污染场地，覆盖超过2000万公顷，其中超过50%被重金属（HMs）和类金属污染，如镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、铅（Pb）、钴（Co）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）和硒（Se）。HMs污染因其毒性、持久性和生物累积性对生态系统和人类健康构成长期风险。传统修复策略，包括挖掘、固化和化学沉淀，通常产生高成本并产生二次废物。NBs通过吸附和氧化还原反应促进HMs的固定化和去除，提供了一种创新解决方案。如Zhang等人所证明的，NBs的带负电表面对带正电的金属离子表现出强烈的静电吸引。这一特性使NBs能够作为高效的重金属收集器，将其浓缩以便通过浮选、沉淀或过滤进行后续去除。此外，NBs可以增强氧化还原转化，将重金属固定化在溶解性较低的形式中。例如，NBs collapse 期间产生的ROS可以氧化亚砷酸盐[As(III)]为砷酸盐[As(V)]。这种氧化通过吸附、混凝或沉淀等过程促进砷酸盐的去除。相比之下，铬修复通常涉及将六价铬[Cr(VI)]还原为三价铬[Cr(III)]，后者迁移性更低、毒性更小，更容易通过沉淀或吸附固定化。氧气或臭氧NBs的应用对于稳定受污染土壤和沉积物中的HMs特别有效。Batagoda等人证明，NBs可以显著增强Cd和Pb离子的吸附和氧化，从而改善固定化并降低环境风险。此外，NBs可以与生物炭和沸石等改良剂结合，进一步增强HMs捕获和稳定化。这些综合方法通过结合NB增强的传输和反应性与矿物和有机材料的高吸附能力的优势，产生协同效应。
**3.3. 空气和多相系统中的新兴应用**
尽管NBs在水性环境中已被广泛研究，但它们在空气和多相系统中的新兴应用代表了创新的新前沿。NBs的独特物理化学性质，如高内压、反应性表面现象和增强的质量传递，正日益被利用来应对气体吸收和工业空气污染控制的挑战。这些新方向将NBs的作用扩展到液相修复之外，展示了它们在环境应用中的多功能性。
**3.3.1. 气体吸收增强**
使用NBs增强气体吸收过程是应对气候变化挑战的一个特别有前景的应用，特别是在CO?捕获和封存技术中。与传统微气泡相比，NBs显著增加了气-液界面面积，从而加速了气体在液体中的溶解。在CO?捕获系统中，NBs通过促进快速气体扩散和在水性吸收相中的保留来实现高效吸收。NBs的缓慢上升速度加上其在溶液中的稳定性，允许它们保持延长的接触时间，导致比传统气体注入方法实现的更高的CO?溶解度。包括Regis等人的研究表明，NB介导的CO?吸收改善了碳捕获系统的性能，特别是在工业烟气处理中。此外，NBs在某些条件下生成ROS的能力为将吸收的CO?化学转化为危害较小或可用的产品提供了机会。例如，可以在NBs富集环境中促进碳酸盐或碳酸氢盐物种的形成，从而提高整体碳封存效率。CO?封存技术的最新进展利用了高压NBs生成来增强溶解和稳定性，能够在浅深度（0.5–1.8 km）的镁铁质和超镁铁质岩层中高效注入。引入后，CO?进行矿化，形成稳定的碳酸盐，确保长期储存，同时最大限度地减少气体逸出和运营成本。这种方法通过提高反应效率和集成实时监测以进行过程优化，超越了传统方法。除了CO?，NBs可以增强其他环境重要气体的吸收，包括氨、二氧化硫（SO?）和氮氧化物（NOx）。NBs为多污染物气体处理提供了一个多功能平台。它们对不同气体类型和环境条件的适应性使其成为未来碳管理和工业排放控制策略的变革性工具。
**3.3.2. 工业排放中的气溶胶控制**
工业活动向大气释放大量气溶胶和颗粒物（PM），导致空气污染、气候变化和不利健康影响。传统气溶胶控制技术，如湿式洗涤器和静电除尘器，通常面临效率、运营成本和二次废物产生方面的挑战。NBs为改善气溶胶捕获和控制提供了一种新颖方法。当集成到湿式洗涤器系统中时，NBs显著增加了气-液接触表面积，改善了对细颗粒和气态污染物的捕获。NBs辅助洗涤器已证明对超细颗粒物（PM?.?和PM??）的去除效率优于仅依赖机械搅拌的系统。增加的界面相互作用促进更有效的污染物吸收和团聚，导致更容易从废气流中去除。此外，NBs生成的ROS可以促进有害空气污染物的氧化分解。通过在捕获过程中实现原位化学降解，NB增强系统捕获并中和污染物，减少二次废物处理的需求。一项研究调查了细气泡对池洗涤中气溶胶去除效率的影响，发现虽然TiO?去除率下降，但ZrO?去除率随着细气泡而提高，表明在福岛第一核电站退役期间减少放射性气溶胶产生的潜力。尽管对NBs辅助气溶胶去除的直接研究仍在进行中，但它们增强污染物捕获和氧化的能力使其成为空气净化技术的有前景候选者。
**4. NBs在可持续技术中的应用**
追求可持续技术需要创新解决方案，以增强资源效率、减少环境影响并支持全球生态韧性努力。NBs凭借其卓越的物理化学性质，如增强的气体传递、ROS生成和表面介导相互作用，正成为农业、水产养殖、能源和制造业可持续实践的关键推动者。它们在解决复杂环境挑战方面的多功能性使其处于可持续创新的前沿。
**4.1. 可持续农业和水产养殖**
**4.1.1. 养分输送和作物产量提高**
农业正面临来自资源稀缺、环境退化和增加粮食生产需求的日益增长的压力。NBs提供了一种可持续的方法来增强养分输送系统并提高作物产量，同时最大限度地减少化学投入。NBs在农业中的主要好处之一是它们能够显著增加灌溉水中的溶解氧水平。通过在延长时间内维持过饱和氧条件，NBs促进根呼吸、养分吸收和植物代谢。Jia等人证明，NBs富集灌溉系统与常规方法相比，水利用效率提高了约30%，作物生物量和产量显著增加。此外，NBs可以促进肥料的溶解并提高其生物利用度。Pal等人报告，NBs辅助养分输送系统提高了氮、磷和钾肥料的吸收效率，允许减少施用量而不损害植物健康。这种肥料投入的减少减轻了养分径流、富营养化和土壤退化的风险，从而长期有助于更可持续的农业实践。NBs还通过改善生物农药和有益微生物的分散和对植物表面的粘附来支持其吸收。将纳米生物技术整合到精准农业框架中，提高了生产力，同时符合减少环境影响和改善土壤健康的更广泛目标。因此，将NBs应用于养分输送系统代表了可持续农业的一个有前景的途径。这种方法提高了水和肥料效率，增强了作物生长，并最大限度地减少了化学污染的风险。
**4.1.2. 水产养殖水质管理**
NBs技术已成为水产养殖中的变革性解决方案，解决了氧合、水质和疾病管理等关键挑战。与传统曝气方法（如机械曝气器，通常会产生湍流并对水生生物造成压力）不同，NBs在不干扰水生环境的情况下提供高效氧合。这创造了一个更平静、更稳定的栖息地，对鱼类健康生长至关重要。研究表明，在NB富集水中养殖的鱼类表现出显著改善，存活率达到95%，平均体重和长度分别为15.1 ± 1.8 g和13.1 ± 1.1 cm，总收获量和生产力翻倍至436 kg和8.7 kg/m3（P < 0.05）。此外，NBs通过改善水质降低疾病发生率，从而减少对通常与环境健康风险相关的抗生素和化学品的依赖。NBs最重要的优势之一是它们能够提高水中的溶解氧（DO）水平。例如，纳米臭氧气泡（NBO）已被证明可将DO水平提高到14
