废水中的纳米材料:新兴污染物还是有前途的处理方法?

“我们已经到了人类历史上的一个决定性时刻。新议程是各国领导人对世界各地人民的承诺。这是一个建立更美好世界的普遍、综合和变革性愿景。”

这是时任联合国秘书长潘基文在2015年宣布时所说的话¹所有193个联合国成员国都同意通过2030年可持续发展议程²这是一个雄心勃勃的框架，由17个官方目标和近170个其他目标组成，最终目标是在未来15年内消除贫困、解决不平等问题和应对气候变化。

在可持续发展目标6下，题为“确保为所有人提供水和卫生设施并对其进行可持续管理，联合国成员国承认承诺将目前未经处理的废水比例减半^3.．根据国际水协会2018年的一份报告⁴在美国，今天产生的所有废水中约有80%没有经过任何形式的处理或净化，直接排入世界水道。这些废水，其中一些是未经处理的工业废水，然后自由地混入我们的河流和海洋，在那里它可能对环境造成危害⁵、农业⁶以及那些依赖这些天然水源的人的健康⁷．

由于这些潜在风险，以及出于实现可持续发展目标的义务，世界各地的研究人员正在努力确定对我们水道的任何新的或不可预见的危险，并研究处理受污染废水和工业废水的新的有效方法。这些努力带来的最令人兴奋的领域之一是纳米材料和纳米技术的研究;既是工业废水中的一种新兴污染物，也是水过滤和净化的潜在有用工具。

纳米材料作为一种新兴的废水污染物

严格地说，纳米材料被定义为“具有纳米尺度(约为纳米尺度)任何外部尺寸的材料”。或具有纳米级的内部结构或表面结构”⁸．由于纳米材料的尺寸和/或结构较小，它们经常表现出不同寻常的或奇异的性质，这使它们受到工业的特别关注——碳纳米管(CNTs)和石墨烯等纳米材料已经被研究应用于电子、医疗和能源领域^9、10．

已经有一些产品使用了碳纳米管;据估计，这些纳米材料的产量将达到数百吨¹¹每年。不幸的是，碳纳米管产量的增长也导致了含碳纳米管的工业废水的增加，这是众所周知的难以用传统方法处理和净化的。碳纳米管的化学性质非常稳定，通常只能通过强酸或高温氧化处理来降解，但这两种方法都不适合净化和循环水。

一篇关于这一主题的新论文最近发表在《科学报告》杂志上，该论文是由日本国家先进工业科学技术研究所(AIST)和日本明治大学(Meijo University)的联合研究成果得出的¹²．本文介绍了一种利用环保化学品从污染的工业废水中去除碳纳米管的新颖而简单的方法。

具体来说，研究人员调查了直接将次氯酸钠(家庭清洁中常见的消毒剂和环保氧化剂)混合到含有单壁或多壁碳纳米管的水分散液中的效果。由于碳纳米管在水中的浓缩分散体具有明显的黑色，因此随着时间的推移，水恢复其自然透明度很容易表明碳纳米管的任何降解。使用透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱在添加次氯酸钠氧化剂后的不同时间步骤跟踪降解情况。

研究小组报告称，120小时后，所有可观察到的碳纳米管在次氯酸钠处理后完全降解并从水中去除。对含有碳纳米角的其他类型碳纳米材料以及单壁和多壁纳米管的进一步实验，也成功地将材料从水中完全去除。

AIST高级研究员张敏芳博士评论道:“我们现在正试图为这项研究的实际应用建立一个适当的工业流程。我们希望能够建立一种标准方法……以促进碳纳米材料处理的更广泛应用，使用环保的方法。”

“我们还在这项研究中发现，碳纳米管的降解速率取决于它们的(结构)类型，我们将在未来的论文中发表细节。”

利用纳米技术修复废水

当一些研究小组专注于从废水中去除纳米材料时，另一些研究小组开始研究纳米技术和专门设计的纳米材料可能用于新型水处理技术的可能性。

需要更好的水过滤系统¹³引起了人们对工程纳米材料在水净化中的应用的特别兴趣。最近的工作¹⁴来自沙特阿拉伯Majmaah大学工程学院的教授，讨论了纳米材料在废水处理中的实际应用。

静电纺丝纳米纤维膜(ENMs)是由受到静电排斥力的聚合物制成的，这个过程被称为静电纺丝¹⁵．简而言之，聚合物溶液或熔体通过毛细管，然后在施加的静电力的作用下抽出并成形，从而形成纳米纤维。当溶剂蒸发或聚合物熔体冷却时，随机取向的纳米纤维通常融合在一起，留下理想的低密度、开放的孔隙结构膜，保留了大量的结构完整性，是过滤应用的理想选择¹⁴．

Majmaah大学的这项工作回顾了enm与目前用于工业废水处理的传统过滤膜的潜力的研究。研究人员观察到，enm的孔隙率比传统膜高得多(约为80%，而传统膜为5- 35%)，而且通常比传统膜的制造更具成本效益，能耗更低。研究人员还发现，在几个案例中，化学修饰enm的表面可以帮助保护膜免受污染、不必要的堆积和堵塞。有趣的是，被设计成含有银纳米颗粒并具有大约10纳米的极小孔径的ENMs甚至能够在实验室条件下有效地去除病毒和细菌——这意味着ENMs可能具有作为过滤系统净化水的潜力，但也可以作为消毒剂。

加拿大滑铁卢大学的ENMs研究生Monika Kulak解释说:“ENMs允许研究人员开发大量的过滤系统来解决水处理的挑战。纳米膜的稳定性、渗透性和孔隙度都可以根据所使用的起始聚合物材料进行调整和定制。纳米纤维还可以根据绿色特性(如生物降解性)进行选择，以创建一个整体环保的系统。”

ENM多功能性的突出例子包括聚丙烯腈与纤维素结合，同时去除许多有毒金属，聚醚砜具有极好的热稳定性和化学稳定性，改性最少，含壳聚糖的ENM具有成本效益和环境友好性。随着ENMs技术的进步，全球清洁、可获得的水的可能性也在增加。”

然而，Majmaah大学的研究人员也指出，在enm被认为可以大规模商业化之前，仍然有几个障碍需要解决。首先，他们说需要采取措施使enm与水处理设施中的现有基础设施更加兼容。此外，他们强调了进一步研究潜在的商业enm如何随着时间退化的重要性，以及由此可能带来的任何潜在的环境风险。

确保可持续发展

描述任何新的纳米技术的可持续性和环境影响可能是未来这类研究的关键。最近发表在《国际环境》杂志上的一项研究¹⁶对来自19个不同国家的50名专家就纳米材料作为水和废水处理技术的若干不同可持续性标准进行了调查，目的是评估在该行业发展过程中哪些参数对其最重要。总的来说，与效率和安全性相关的标准胜出，成为在纳米技术处理方面做出可持续选择的最重要因素，但也有强大的支持基础来审查这些技术在意外或极端环境条件下的性能，此外，所使用的纳米材料类型是否具有回收和重复使用的潜力。

无论纳米材料是一种令人担忧的新兴污染物，还是未来的新型水处理技术，可持续性和潜在的环境影响对于解决废水污染的研究人员来说都是至关重要的。联合国等组织在这一问题上的持续倡导说明了有效的废水管理在保护我们的水和更广泛的环境方面是多么重要。

参考文献

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