前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的纳米粒子在家庭水处理的应用，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
[摘要]为发展中国家和发达国家提供安全饮用水是一个巨大的挑战。日益增长的需求和水源水质恶化导致探索新的技术创新，以更好地管理水。纳米技术通过设计创新的集中和分散(家庭一级)水处理系统，在确保安全饮用水方面有着巨大的前景。本文概述了(家庭一级)水处理工艺的纳米技术的最新进展，其工作原理为，纳米吸附剂、光催化剂、微生物消毒剂和膜。广泛实施纳米技术用于水处理将需要克服纳米材料的高成本，使其能够再利用和再生。这也将确保尽量减少潜在的环境暴露。纳米技术的潜在进步必须与环境健康齐头并进，以减轻对人类的任何不良后果。
[关键词]纳米粒子；吸附；膜处理
安全饮用水被认为是一个国家发展的重要指标，根据最近的报告，世界各地约有6.63亿人无法获得安全饮用水[1]。多年来，污染和滥用地表水导致全球50%以上人口依赖地下水作为饮用水。然而，地下水是氟化物、砷、铅、铬、硝酸盐、硒、氯化物、重金属以及放射性物质的避风港，这些离子极大地损害了地下水的质量，导致了健康问题[2]。此外，腺病毒、甲型肝炎、轮状病毒等病原体通常存在于地表水和地下水中，必须有效地灭活才能提供安全的水。饮用水安全是根据国家标准或国际准则来判断的，卫生组织的饮用水质量准则是最重要的准则之一，并由许多发展中国家实施。报告表明，在依赖改良水源的估计62亿人中，超过10亿人继续使用不安全的水。联合国可持续发展目标(SDG6)之一是到2030年实现人人享有安全和负担得起的饮用水水处理技术的进步可以在实现这一目标方面发挥作用。在传统上用于饮用水处理的各种技术中，砂(颗粒介质)过滤是最古老的处理技术之一。砂过滤最初被认为是通过粒子间间隙的尺寸排除工作的。然而，后来的研究表明，慢沙过滤器(SSF)在富含细菌种群的沙粒周围形成一种活性生物膜(称为Schmutzdecke)，从而提高了介质的过滤能力。颗粒介质过滤的应用面临的挑战之一是，除了易受事故和流量变化的影响外，它无法有效地去除化学污染物。其他一些常规使用的技术包括化学氧化、吸附、化学沉淀/凝固、离子交换等等。最常见的化学氧化剂是氯，它为去除病原体提供了有效和坚固的屏障。另一方面，化学沉淀通过添加反离子来降低离子污染物的溶解度。这通常是絮凝和沉淀或过滤。近年来，人们对纳米粒子作为吸附剂在水处理中的应用越来越感兴趣。纳米技术显示出巨大的前景，作为处理持久性和新兴污染物的最佳可行方法[3]。纳米材料吸附与传统吸附剂相比，具有吸引力的替代品，因为它们具有较高的长径比，增强了反应活性，进而转化为较高的吸附容量。此外，纳米吸附剂还提供了额外的可能性，如在家庭一级以不同形式使用的可能性，例如，以粉末形式使用，涂覆在衬底上或在过滤器中使用等。颗粒的较小尺寸也提供了构建紧凑处理系统的可能性。最近的研究还表明，纳米粒子可以被工程化，同时针对多种污染物，从而可能降低处理成本。然而，人们对纳米材料的安全处置及其对公共健康和生态系统的潜在风险还表示担忧。因此，本综述详细介绍了在水处理中使用纳米粒子的现有技术。虽然对纳米粒子在水处理中的应用进行了大量的研究，但几乎没有任何全面的评论对这一主题进行批判性分析，本文试图填补这一空白。
1纳米粒子在水处理中的应用
用于环境保护和水处理的新型纳米材料的开发和使用近年来受到了广泛的关注，因为它们的表面积与体积比更大，粒径更小[4]。纳米材料在水处理中的四个主要应用领域是(A)吸附去除，(B)催化降解，(C)消毒和(D)膜过滤。其中，吸附去除污染物和使用纳米材料消毒是主要内容。纳米技术使水处理做法有望克服现有技术目前面临的主要挑战，并为水的经济利用提供新的处理方法。
2吸附去除
不同种类的纳米粒子被用于吸附去除研究，即用于去除砷的铁基纳米粒子、用于去除氟化物的碳和铝基纳米材料等[2]。本文综述了在各种使用点(POU)饮用水处理系统中常用的纳米吸附剂。
2.1氟化物的去除
碳纳米管是一种有趣的纳米材料[5-6]，由于其高的机械强度和导电性而得到了广泛的研究。碳纳米管与其他纳米材料一起被广泛应用于从水中去除氟化物。最近改性的多壁碳纳米管被广泛用于去除水中的一些重金属。
2.2重金属的去除
水源中重金属的存在是一种全球威胁[7]，有些已知有毒和致癌。已知铅、砷、镉、铬、硒、汞和钴等重金属离子会损害水质，而且已知其毒性超过允许的限度。吸附是一种常用的重金属去除技术，由于它是一种成熟的技术，成本低，效果好，因此对家庭水处理更有吸引力。铁基纳米粒子是最常见的用于重金属去除的纳米吸附剂。据报道，砷污染影响到全世界约1.5亿人，在大约70个不同的国家。将磷灰石纳米粒子掺入聚丙烯滤筒过滤器中，有效地用于去除砷。初步试验表明，滤料对中等砷浓度(30~40ppb)的泉水的处理效率较高。平均需要100毫克赤铁矿纳米粒子来处理每升泉水[8]。
2.3去除杀虫剂
尽管银纳米粒子的主要作用是在消毒领域，但它们也被用于去除卤化农药和有机物，该技术已被印度技术研究所马德拉斯的研究人员申请饮用水净化专利[9]。嵌入在活性氧化铝中的银纳米粒子用于有效去除卤化有机物和农药。通过纳米粒子表面与农药之间的新型化学反应，实现了农药的去除。杀虫剂中的大部分要么是卤化碳，要么是含硫的分子。例如，卤化碳在室温下与贵纳米粒子相互作用后被降解为金属卤化物和非晶态碳。观察到，当加入农药的水(50ppb浓度)通过过滤器时，可以获得无农药水。由于银纳米粒子以其抗菌性能而闻名，因此过滤器也很可能是有效的消毒工具。然而目前市场上没有这种产品。
3膜过滤
用于饮用水处理的膜是一个快速增长的领域[10]。膜为水中的不良成分提供了物理屏障。然而，膜污染是其有效应用的最大障碍之一。纳米技术正被用于开发创新的聚合物和陶瓷膜，以提高膜过滤系统的性能。理论上，纳米粒子在膜中的掺入提供了污垢阻力以及消毒和污染物降解的额外好处，这取决于所使用的纳米材料。纳滤膜，如NF90和NF400，已被用来去除地下水中的氟化物，在10bar的压力下，氟去除率为98%。商业上可用的NF膜也被修饰使用聚电解质薄膜，以提高膜的选择性。银纳米粒子也被浸渍到硝化纤维素膜上，用于去除细菌病原体。如Aquapure，Kinetico和QSI纳米使用浸渍银纳米粒子的膜，并显示99.9%的去除细菌，病毒和原生动物。亲水性金属氧化物纳米粒子通常被添加到膜中，通过增加亲水性来减少污垢。例如，氧化铝、二氧化钛、二氧化硅和沸石纳米粒子被添加到聚合物超滤膜中，已经进行了实验室规模的研究，以确定碳纳米管膜在水处理中的潜力，这些纳米管膜已被研究为可有效的去除细菌，病毒，浊度和有机污染物。因为这些过滤器需要较少的能量，高渗透性，更耐用，更容易清洁和重复使用。这些膜具有很好的市场前景。
4催化降解
光催化降解常用的纳米材料有二氧化钛，铈和碳纳米管[11]。其中，二氧化钛纳米粒子由于其稳定性、摄入无毒、成本低，在水处理中得到了广泛的探索。二氧化钛纳米颗粒在水、紫外线照射和氧气的存在下产生自由基，随后分解成毒性较小的碳化合物。钛可以用作浆料，涂层作为薄膜或膜。二氧化钛纳米粒子对有机污染物的光催化降解已被用于工业规模的净水系统。然而，纳米粒子在光催化降解中的大规模应用还存在一些技术挑战需要解决：(1)高效的光催化反应器设计和(2)催化剂利用可见光的优化。
5纳米粒子的安全处置环境影响
基于纳米粒子的POU系统在饮用水处理领域具有巨大的优势。纳米材料的影响不仅需要从其应用的角度来评估，而且需要从其释放到环境中的潜在毒性效应的角度来评估。有研究表明，特定纳米材料性能和毒性极限的影响取决于纳米粒子的类型和大小[12]。纳米粒子在环境中的行为也取决于许多因素，如pH、周围介质、离子浓度、表面封盖剂和粒径。现有信息不足以确定饮用水中特定纳米材料的最大允许浓度。尽管有许多评估纳米结构的工具，纳米毒理学仍然需要在纳米尺度上精确地测定生物系统和纳米材料[4]。因此，对纳米粒子的释放进行仔细的控制和严格的指导是至关重要的。然而，虽然已经提出了安全措施，但没有处理纳米毒性的具体准则。金属离子从纳米材料中溶解是另一个主要问题，检测其释放是一个挑战，需要复杂、昂贵的技术和具有超低检测水平的分析方法。在环境机构制定更明确的纳米材料释放指南之前，处置管理的最佳方式是纳米粒子的回收利用。使用过的纳米颗粒可用于制造砖块或填充在钢瓶中，并在地球深处作为填埋场处置。再生金属离子也可用于其他材料的合成..利用天然沸石从废废物中固存重金属的方法。同样的方法可以进一步探索废纳米吸附剂的污泥。研究人员还探索了各种方法，以水泥、砖块、聚合物基质的形式固化和稳定废弃的重金属废物，最终将在填埋场处置。
6总结和结论
(1)随着水越来越稀少和污染越来越严重，需要先进技术为世界提供更清洁的水。纳米技术有潜力以廉价和有效的方式解决这一需要。一些研究论文表明，基于纳米技术的系统可以有效和有效地去除不同尺度的水中的砷、氟化物和其他金属以及病原体。(2)一些基于纳米技术的水处理系统已经在市场上针对不同的污染物，更多的是在管道中。然而，需要对这些系统进行长期评估，因为大多数系统都是根据实验室规模的研究进行测试和销售的。纳米陶瓷过滤器的最大长期评估数据为14个月。(3)更多的选择使用纳米粒子在POU系统，如三明治过滤器，涂层在基板，茶袋模型，咖啡过滤器等。应进一步探讨。纳米粒子的大规模商业化生产将大大降低生产成本。(4)纳米材料在水处理系统中的广泛应用除性能外还取决于成本效益。通过确保纳米材料的保留和再利用，可以实现成本效益。为了更好地实施基于纳米技术的POU水处理系统，需要政府、研究机构和行业之间更多的合作。此外，以各种形式传播POU技术，如生产墨盒、袋和水过滤装置，可以促进大规模就业机会，并有助于当地经济。(5)需要更深入的研究来解决回收污染物和耗尽的纳米粒子的管理问题。目前，污染物饱和纳米粒子的潜在处置方法是以水泥砖块等形式固化和稳定废物。(6)在释放方面存在潜在的环境问题，纳米粒子进入环境并暴露于人体。最近的研究也表明，纳米材料的毒性取决于纳米粒子的大小和类型、周围环境基质、溶液的pH等因素。因此，有必要逐案审议。最重要的是确保及早评估和减轻纳米材料对环境的潜在影响，以便长期安全供应饮用水。
作者:龚祺昊 陈志华 单位:新疆生产建设兵团第四师环境监测站 兰州交通大学
