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[摘要]為發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家提供安全飲用水是一個巨大的挑戰(zhàn)。日益增長的需求和水源水質(zhì)惡化導(dǎo)致探索新的技術(shù)創(chuàng)新，以更好地管理水。納米技術(shù)通過設(shè)計創(chuàng)新的集中和分散(家庭一級)水處理系統(tǒng)，在確保安全飲用水方面有著巨大的前景。本文概述了(家庭一級)水處理工藝的納米技術(shù)的最新進展，其工作原理為，納米吸附劑、光催化劑、微生物消毒劑和膜。廣泛實施納米技術(shù)用于水處理將需要克服納米材料的高成本，使其能夠再利用和再生。這也將確保盡量減少潛在的環(huán)境暴露。納米技術(shù)的潛在進步必須與環(huán)境健康齊頭并進，以減輕對人類的任何不良后果。

[關(guān)鍵詞]納米粒子；吸附；膜處理

安全飲用水被認(rèn)為是一個國家發(fā)展的重要指標(biāo)，根據(jù)最近的報告，世界各地約有6.63億人無法獲得安全飲用水[1]。多年來，污染和濫用地表水導(dǎo)致全球50%以上人口依賴地下水作為飲用水。然而，地下水是氟化物、砷、鉛、鉻、硝酸鹽、硒、氯化物、重金屬以及放射性物質(zhì)的避風(fēng)港，這些離子極大地?fù)p害了地下水的質(zhì)量，導(dǎo)致了健康問題[2]。此外，腺病毒、甲型肝炎、輪狀病毒等病原體通常存在于地表水和地下水中，必須有效地滅活才能提供安全的水。飲用水安全是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或國際準(zhǔn)則來判斷的，衛(wèi)生組織的飲用水質(zhì)量準(zhǔn)則是最重要的準(zhǔn)則之一，并由許多發(fā)展中國家實施。報告表明，在依賴改良水源的估計62億人中，超過10億人繼續(xù)使用不安全的水。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDG6)之一是到2030年實現(xiàn)人人享有安全和負(fù)擔(dān)得起的飲用水水處理技術(shù)的進步可以在實現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮作用。在傳統(tǒng)上用于飲用水處理的各種技術(shù)中，砂(顆粒介質(zhì))過濾是最古老的處理技術(shù)之一。砂過濾最初被認(rèn)為是通過粒子間間隙的尺寸排除工作的。然而，后來的研究表明，慢沙過濾器(SSF)在富含細(xì)菌種群的沙粒周圍形成一種活性生物膜(稱為Schmutzdecke)，從而提高了介質(zhì)的過濾能力。顆粒介質(zhì)過濾的應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一是，除了易受事故和流量變化的影響外，它無法有效地去除化學(xué)污染物。其他一些常規(guī)使用的技術(shù)包括化學(xué)氧化、吸附、化學(xué)沉淀/凝固、離子交換等等。最常見的化學(xué)氧化劑是氯，它為去除病原體提供了有效和堅固的屏障。另一方面，化學(xué)沉淀通過添加反離子來降低離子污染物的溶解度。這通常是絮凝和沉淀或過濾。近年來，人們對納米粒子作為吸附劑在水處理中的應(yīng)用越來越感興趣。納米技術(shù)顯示出巨大的前景，作為處理持久性和新興污染物的最佳可行方法[3]。納米材料吸附與傳統(tǒng)吸附劑相比，具有吸引力的替代品，因為它們具有較高的長徑比，增強了反應(yīng)活性，進而轉(zhuǎn)化為較高的吸附容量。此外，納米吸附劑還提供了額外的可能性，如在家庭一級以不同形式使用的可能性，例如，以粉末形式使用，涂覆在襯底上或在過濾器中使用等。顆粒的較小尺寸也提供了構(gòu)建緊湊處理系統(tǒng)的可能性。最近的研究還表明，納米粒子可以被工程化，同時針對多種污染物，從而可能降低處理成本。然而，人們對納米材料的安全處置及其對公共健康和生態(tài)系統(tǒng)的潛在風(fēng)險還表示擔(dān)憂。因此，本綜述詳細(xì)介紹了在水處理中使用納米粒子的現(xiàn)有技術(shù)。雖然對納米粒子在水處理中的應(yīng)用進行了大量的研究，但幾乎沒有任何全面的評論對這一主題進行批判性分析，本文試圖填補這一空白。

1納米粒子在水處理中的應(yīng)用

用于環(huán)境保護和水處理的新型納米材料的開發(fā)和使用近年來受到了廣泛的關(guān)注，因為它們的表面積與體積比更大，粒徑更小[4]。納米材料在水處理中的四個主要應(yīng)用領(lǐng)域是(A)吸附去除，(B)催化降解，(C)消毒和(D)膜過濾。其中，吸附去除污染物和使用納米材料消毒是主要內(nèi)容。納米技術(shù)使水處理做法有望克服現(xiàn)有技術(shù)目前面臨的主要挑戰(zhàn)，并為水的經(jīng)濟利用提供新的處理方法。

2吸附去除

不同種類的納米粒子被用于吸附去除研究，即用于去除砷的鐵基納米粒子、用于去除氟化物的碳和鋁基納米材料等[2]。本文綜述了在各種使用點(POU)飲用水處理系統(tǒng)中常用的納米吸附劑。

2.1氟化物的去除

碳納米管是一種有趣的納米材料[5-6]，由于其高的機械強度和導(dǎo)電性而得到了廣泛的研究。碳納米管與其他納米材料一起被廣泛應(yīng)用于從水中去除氟化物。最近改性的多壁碳納米管被廣泛用于去除水中的一些重金屬。

2.2重金屬的去除

水源中重金屬的存在是一種全球威脅[7]，有些已知有毒和致癌。已知鉛、砷、鎘、鉻、硒、汞和鈷等重金屬離子會損害水質(zhì)，而且已知其毒性超過允許的限度。吸附是一種常用的重金屬去除技術(shù)，由于它是一種成熟的技術(shù)，成本低，效果好，因此對家庭水處理更有吸引力。鐵基納米粒子是最常見的用于重金屬去除的納米吸附劑。據(jù)報道，砷污染影響到全世界約1.5億人，在大約70個不同的國家。將磷灰石納米粒子摻入聚丙烯濾筒過濾器中，有效地用于去除砷。初步試驗表明，濾料對中等砷濃度(30~40ppb)的泉水的處理效率較高。平均需要100毫克赤鐵礦納米粒子來處理每升泉水[8]。

2.3去除殺蟲劑

盡管銀納米粒子的主要作用是在消毒領(lǐng)域，但它們也被用于去除鹵化農(nóng)藥和有機物，該技術(shù)已被印度技術(shù)研究所馬德拉斯的研究人員申請飲用水凈化專利[9]。嵌入在活性氧化鋁中的銀納米粒子用于有效去除鹵化有機物和農(nóng)藥。通過納米粒子表面與農(nóng)藥之間的新型化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)了農(nóng)藥的去除。殺蟲劑中的大部分要么是鹵化碳，要么是含硫的分子。例如，鹵化碳在室溫下與貴納米粒子相互作用后被降解為金屬鹵化物和非晶態(tài)碳。觀察到，當(dāng)加入農(nóng)藥的水(50ppb濃度)通過過濾器時，可以獲得無農(nóng)藥水。由于銀納米粒子以其抗菌性能而聞名，因此過濾器也很可能是有效的消毒工具。然而目前市場上沒有這種產(chǎn)品。

3膜過濾

用于飲用水處理的膜是一個快速增長的領(lǐng)域[10]。膜為水中的不良成分提供了物理屏障。然而，膜污染是其有效應(yīng)用的最大障礙之一。納米技術(shù)正被用于開發(fā)創(chuàng)新的聚合物和陶瓷膜，以提高膜過濾系統(tǒng)的性能。理論上，納米粒子在膜中的摻入提供了污垢阻力以及消毒和污染物降解的額外好處，這取決于所使用的納米材料。納濾膜，如NF90和NF400，已被用來去除地下水中的氟化物，在10bar的壓力下，氟去除率為98%。商業(yè)上可用的NF膜也被修飾使用聚電解質(zhì)薄膜，以提高膜的選擇性。銀納米粒子也被浸漬到硝化纖維素膜上，用于去除細(xì)菌病原體。如Aquapure，Kinetico和QSI納米使用浸漬銀納米粒子的膜，并顯示99.9%的去除細(xì)菌，病毒和原生動物。親水性金屬氧化物納米粒子通常被添加到膜中，通過增加親水性來減少污垢。例如，氧化鋁、二氧化鈦、二氧化硅和沸石納米粒子被添加到聚合物超濾膜中，已經(jīng)進行了實驗室規(guī)模的研究，以確定碳納米管膜在水處理中的潛力，這些納米管膜已被研究為可有效的去除細(xì)菌，病毒，濁度和有機污染物。因為這些過濾器需要較少的能量，高滲透性，更耐用，更容易清潔和重復(fù)使用。這些膜具有很好的市場前景。

4催化降解

光催化降解常用的納米材料有二氧化鈦，鈰和碳納米管[11]。其中，二氧化鈦納米粒子由于其穩(wěn)定性、攝入無毒、成本低，在水處理中得到了廣泛的探索。二氧化鈦納米顆粒在水、紫外線照射和氧氣的存在下產(chǎn)生自由基，隨后分解成毒性較小的碳化合物。鈦可以用作漿料，涂層作為薄膜或膜。二氧化鈦納米粒子對有機污染物的光催化降解已被用于工業(yè)規(guī)模的凈水系統(tǒng)。然而，納米粒子在光催化降解中的大規(guī)模應(yīng)用還存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)需要解決：(1)高效的光催化反應(yīng)器設(shè)計和(2)催化劑利用可見光的優(yōu)化。

5納米粒子的安全處置環(huán)境影響

基于納米粒子的POU系統(tǒng)在飲用水處理領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。納米材料的影響不僅需要從其應(yīng)用的角度來評估，而且需要從其釋放到環(huán)境中的潛在毒性效應(yīng)的角度來評估。有研究表明，特定納米材料性能和毒性極限的影響取決于納米粒子的類型和大小[12]。納米粒子在環(huán)境中的行為也取決于許多因素，如pH、周圍介質(zhì)、離子濃度、表面封蓋劑和粒徑。現(xiàn)有信息不足以確定飲用水中特定納米材料的最大允許濃度。盡管有許多評估納米結(jié)構(gòu)的工具，納米毒理學(xué)仍然需要在納米尺度上精確地測定生物系統(tǒng)和納米材料[4]。因此，對納米粒子的釋放進行仔細(xì)的控制和嚴(yán)格的指導(dǎo)是至關(guān)重要的。然而，雖然已經(jīng)提出了安全措施，但沒有處理納米毒性的具體準(zhǔn)則。金屬離子從納米材料中溶解是另一個主要問題，檢測其釋放是一個挑戰(zhàn)，需要復(fù)雜、昂貴的技術(shù)和具有超低檢測水平的分析方法。在環(huán)境機構(gòu)制定更明確的納米材料釋放指南之前，處置管理的最佳方式是納米粒子的回收利用。使用過的納米顆粒可用于制造磚塊或填充在鋼瓶中，并在地球深處作為填埋場處置。再生金屬離子也可用于其他材料的合成..利用天然沸石從廢廢物中固存重金屬的方法。同樣的方法可以進一步探索廢納米吸附劑的污泥。研究人員還探索了各種方法，以水泥、磚塊、聚合物基質(zhì)的形式固化和穩(wěn)定廢棄的重金屬廢物，最終將在填埋場處置。

6總結(jié)和結(jié)論

(1)隨著水越來越稀少和污染越來越嚴(yán)重，需要先進技術(shù)為世界提供更清潔的水。納米技術(shù)有潛力以廉價和有效的方式解決這一需要。一些研究論文表明，基于納米技術(shù)的系統(tǒng)可以有效和有效地去除不同尺度的水中的砷、氟化物和其他金屬以及病原體。(2)一些基于納米技術(shù)的水處理系統(tǒng)已經(jīng)在市場上針對不同的污染物，更多的是在管道中。然而，需要對這些系統(tǒng)進行長期評估，因為大多數(shù)系統(tǒng)都是根據(jù)實驗室規(guī)模的研究進行測試和銷售的。納米陶瓷過濾器的最大長期評估數(shù)據(jù)為14個月。(3)更多的選擇使用納米粒子在POU系統(tǒng)，如三明治過濾器，涂層在基板，茶袋模型，咖啡過濾器等。應(yīng)進一步探討。納米粒子的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)將大大降低生產(chǎn)成本。(4)納米材料在水處理系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用除性能外還取決于成本效益。通過確保納米材料的保留和再利用，可以實現(xiàn)成本效益。為了更好地實施基于納米技術(shù)的POU水處理系統(tǒng)，需要政府、研究機構(gòu)和行業(yè)之間更多的合作。此外，以各種形式傳播POU技術(shù)，如生產(chǎn)墨盒、袋和水過濾裝置，可以促進大規(guī)模就業(yè)機會，并有助于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟。(5)需要更深入的研究來解決回收污染物和耗盡的納米粒子的管理問題。目前，污染物飽和納米粒子的潛在處置方法是以水泥磚塊等形式固化和穩(wěn)定廢物。(6)在釋放方面存在潛在的環(huán)境問題，納米粒子進入環(huán)境并暴露于人體。最近的研究也表明，納米材料的毒性取決于納米粒子的大小和類型、周圍環(huán)境基質(zhì)、溶液的pH等因素。因此，有必要逐案審議。最重要的是確保及早評估和減輕納米材料對環(huán)境的潛在影響，以便長期安全供應(yīng)飲用水。

作者:龔祺昊 陳志華 單位:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第四師環(huán)境監(jiān)測站 蘭州交通大學(xué)