文、编辑 | 鹏老

发展中国家处理了大约70%的工业废水，而没有彻底销毁。

引入水中不能自然分解的物质有病原体、有机污染物、重金属、工业排放物、各种阴离子等。

这些物质经常改变水体的特征，为了升级过时的基础设施，并提供依赖于大规模基础设施的高性能、低成本的治疗方案，纳米技术实现了高效、通用和多用途，提供了一条潜在的途径。

由于将先进纳米技术与传统工艺工程相结合，可以开发先进的水和废水技术工艺。

已有研究利用纳米技术净化受污染的水和废水，即纳米级过滤方法、纳米颗粒对污染物的吸附以及纳米颗粒对污染物的催化破坏。

纳米技术

纳米技术是一个创新领域，可以解决与当前水处理问题相关的问题。通过最大限度地利用非常规水资源，它可以为当前的水处理程序增加新的方面。

纳米技术在水处理中的三个重要用途是修复和净化、污染监测以及污染预防。通过检测和理解污染物的分子结构，纳米颗粒在水过滤中的应用取得了重大进展。

基于纳米化学的技术比传统的净化技术更有效、更经济。

这些方法包括制造膜，使用混合氧化物、沸石、双金属纳米颗粒和碳化合物作为纳米催化剂来分解水中的有害物质。

此外，纳米零价金属和高顺磁性纳米粒子已被用作纳米吸附剂来清洁水。

本研究将集中于当前纳米技术在水处理领域的进展，重点是不同的纳米材料。

用于水和废水处理的纳米材料

1、纳米颗粒催化湿式空气氧化

创造具有高选择性的纳米技术催化剂，其活性位点包含金属原子和其他动态成分的完美组合是困难的。

使用有机功能聚合物制造纳米催化剂的真正好处是，通过改变聚合物的组成来定制的简单性。

这些催化剂具有很高的活性、选择性和稳定性。作为苯酚、铂、钯和钌纳米颗粒浸渍在高交联聚苯乙烯基体中的有效催化剂，已经被合成。

高苯酚转化率源于CWAO处理负载铂纳米颗粒的超交联聚苯乙烯产生的苯酚化合物。

与热焚烧相比，在气泡塔反应器中使用Pt催化剂催化湿空气氧化C2H2O4提供了一种在极低温度下燃烧的有效方法。

2、纳米级零价铁

纳米颗粒零价铁的许多用途已被发现用于减少和去除土壤、沉积物和水中的硝酸盐。

它们已被用于修饰和解毒多氯联苯和有机氯除草剂。

这些纳米颗粒已被证明可以将几种有机污染物，包括氯化苯、氯化烯烃和烷烃、硝基芳烃和有机染料，溶解在水溶液中时转化为危害较小的副产物。

3、树枝状大分子

树状大分子是一种球状纳米材料，可以与化合物混合在一起，在其表面捕获金属离子。

它们的产生、分子组成、内部分支和表面官能团影响它们的大小、结构和反应。

树状大分子的巨大尺寸使它们能够在其分支结构中结合并捕获污染物，从而阻止污染物通过膜。

此外，它们可用于环境目标，即水净化或环境友好的工业过程。

阴离子结合、有机化合物结合、阳离子结合、生物化合物结合、病毒结合以及这些树状大分子的组合是可能用于水处理的树状大分子的几个例子。

树状大分子可以通过两种方式对生态系统产生重大影响：第一，作为化学监测器，第二，通过消除重金属和净化水。

树突状塑料在水过滤中茁壮成长是由于几个独特的特性。

它们是一种实用且可重复使用的水溶性配体，用于捕获有害金属离子、无机阴离子和放射性核素，树状大分子是纳米材料。

然而，它们不再被用作构建单元的膜所考虑，无论如何，这些材料都是水净化的宝贵工具。

4、水净化使用二维石墨烯

水过滤的关键纳米材料之一是二维石墨烯，包括纯石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯。

这些纳米颗粒是杰出的吸附剂，防污剂和光催化材料。

将石墨烯膜与标准聚酰胺膜进行比较，后者的特点是原子薄膜具有更好的过滤效果。

人们对利用石墨烯纳米颗粒进行海水淡化非常感兴趣。由于其特殊的钠离子吸收能力，二维石墨烯纳米材料在去除水中盐分方面非常成功。

可以在这些材料中加入氮和氢，使阳离子或阴离子选择性迁移。

一些微生物被认为对石墨烯和氧化石墨烯的抗菌作用具有耐药性，包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、引起龋齿的变形链球菌、铜绿假单胞菌。

一些研究甚至记录了这些纳米颗粒抗菌活性的体内证据。

众所周知，石墨烯也通过上述确切机制表现出抗菌特性，如对细胞的物理损伤、氧化应激和细胞膜不稳定。

相比之下，其他人则认为石墨烯的抗菌性能存在一些分歧。

5、光催化作用

去除不受传统处理技术影响的不可生物降解的有机污染物是，限制水处理有效性和在消毒方法中不产生有害消毒副产物的情况下根除水传播病毒的关键问题。

开发一种创新的、负担得起的、环保的系统，以最少的能源和化学品使用来消除这些污染物，是解决这些问题的关键。

因此，研究集中于将AOPs作为可氧化和矿化各种有机化合物的可靠替代方法。AOPs产生了非常有效和强烈的效果3.6(纳米)沸石氧化自由基。

光催化是提高持久性有机污染物的生物降解性，消除现有和新出现的微生物疾病的有效途径。

一类被称为光催化氧化的反应使用由光、化学物质或其他能源激活的催化剂。这种类型的氧化依赖于产生强效活性自由基。

如H2O2、O2、O3和羟基自由基，这些强效氧化剂是非选择性的(见图4)。

据观察，氧化剂可以使用多种技术进行光解，从而更容易遵守必要的处理准则，并增强AOPs的适应性。

紫外光是这些方法的基础，紫外光与氧化剂的结合也是基础。均相光催化是另一种使用催化剂的方法，其原理是向溶解的铁盐中加入H2O2。

可分为两种反应:芬顿反应和光-芬顿反应，芬顿反应不需要光照射，反应波长可达600 nm。图5显示了许多生成羟基自由基的技术(见图6)。

使用纳米材料净化水的方法与传统方法的对比

无论是发达国家还是不发达国家，历史上都使用过传统的净水技术。

过滤、化学处理、紫外线辐射和海水淡化是传统的水处理方法。

在纳米器件中，使用由碳纳米管、纳米多孔陶瓷、磁性纳米粒子和其他纳米材料制成的各种膜和过滤器。

传统的技术有一些缺点。对饮用水进行氯化处理的一个缺点是可能产生有害的氯化碎片。

尽管臭氧和二氧化氯产生的致癌副产物比氯少，但急性毒性的风险比氯更大，这主要是由于二氧化氯中含有氯酸盐。

紫外线很少用来代替氯化，但它不能降低纯净水中有机污染物的浓度。采用微滤和超滤来满足饮用水的浊度、颗粒和微生物消除标准。

然而，这些技术需要对水进行预处理才能发挥作用。否则，很大一部分消毒副产物前体将得不到解决。传统膜基水处理的另一个关键问题是污垢。

膜生物反应器用于污水人工智能修复

智能决策支持系统最早是在20世纪90年代创建的，用于处理受污染的污水。

然而，在考虑技术、环境、社会和环境因素的同时达到可持续性标准一直是设计此类技术的主要目标。

使用智能基础设施解决方案与水和废水处理技术的趋势正在上升。对于表3中提到的人工智能的用途，已经开发了许多模型并正在使用中。

各种人工智能工具被用来清洁水

AI在水净化中的应用如图10和图11所示。人工智能算法分为单一方法和混合方法(见图12)。

许多人工智能专用工具，如作为回归模型的人工神经网络，作为通用优化技术的遗传算法，作为专家人类决策工具的FL。

深度学习，bbn，混合人工智能，ANFIS等，已经显示出它们在各种目的的海水淡化和处理方面的广泛用途。

Fan等人声称，人工智能系统可以通过废水处理回收能源、清洁水和材料。废水回用可以在提高环境质量的同时产生经济效益和节水效果。

人工智能技术的广泛应用可以归因于这样一个事实，即这些策略简单、精确、适应性强，产生预期结果。

由于人工智能方法不依赖于对理想条件的任何假设，因此它们更适合在现实场景中生成水处理过程的模型。

由于这些策略关注的是可预测性，而不仅仅是模型拟合，因此这些策略可以更快、更容易地建立起来。

实验结论

一些研究机构和国际研究团体应制定适当的标准来解决这一问题，以降低健康风险。

事实上，纳米工程水技术并不总是适应大规模发展，即使是现在，通常也不适合传统的处理方法，这是该技术的另一个机械限制。

然而，纳米工程材料为水工业的革命提供了巨大的潜力，特别是在使用点水处理方法、分散式水处理技术和显著的可生物降解污染物方面。

创造高效、环保、易于使用和有效的改性纳米材料的需求也非常重要。随着这些污水处理技术越来越商业化，考虑可能出现的成本问题也至关重要。

纳米材料的多种用途可以为整个地球提供饮用水提供重要机会。

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