综述：用于水和废水处理及监测的纳米材料技术的进步

纳米材料在废水处理与监测中的应用研究综述了多类纳米材料（如聚合物纳米结构、MOFs、金属氧化物纳米颗粒等）的协同功能，整合了吸附、光催化、过滤和传感技术，强调其在污染治理与实时水质监测中的系统性应用，并探讨了规模化、安全性和法规适应性等实际问题。

Niloofar Salehpour|Parisa Mahdavi|Saeed Nojavan

伊朗德黑兰Evin市Shahid Beheshti大学分析化学与污染物系

摘要

新兴污染物持续释放到水和废水中，对生态和公共健康构成了日益严重的威胁，这凸显了传统处理系统的局限性。纳米材料通过结合高效的污染物去除能力和灵敏的实时分析监测技术，提供了一种变革性的解决方案。本文批判性地评估了多种纳米材料类别，包括聚合物纳米结构、金属有机框架（MOFs）、金属和金属氧化物纳米颗粒以及多功能纳米复合材料，重点探讨了它们在吸附、光催化、过滤和传感方面的应用机制。本文的独特之处在于其对纳米材料的综合性、应用导向的评估，这些纳米材料同时解决了废水处理和分析检测的问题，而现有文献大多将这些功能分开讨论。文章还考虑了可扩展性、环境安全性和法规相关性等实际问题。通过整合处理和监测功能，本文为设计基于纳米材料的下一代可持续水资源管理策略提供了系统的路线图。

引言

人口快速增长、城市化和工业化导致全球废水产生量大幅增加，这对环境和公共健康构成了严峻挑战。据估计，全球约80%的废水未经充分处理就被排放到自然生态系统中，尤其是在发展中国家，那里的废水收集和处理设施未能跟上人口增长的步伐[1]。未经处理或处理不足的废水中含有复杂的污染物混合物，包括有机污染物、病原体、重金属和新兴的微量污染物，这些都对水生生态系统、生物多样性和人类健康构成重大风险[2]。这种废水的持续排放导致水质恶化，威胁粮食和水资源安全，并在地方和全球范围内产生显著的社会经济影响。传统的废水处理系统（包括一级、二级和三级处理过程）旨在通过物理、生物和化学方法去除悬浮固体、可生物降解的有机物和病原微生物[1] [3]。尽管这些系统被广泛使用，但在消除持久性和新兴污染物方面往往效果有限。此外，高昂的运营和维护成本、能源需求以及污泥产生限制了它们的长期可持续性和适用性，特别是在资源有限的地区[2]。这些局限性凸显了迫切需要先进的处理策略，以实现高效的污染物去除和可靠的水质监测。

纳米技术作为一种有前景且多用途的方法，利用纳米材料的独特物理化学性质（如高比表面积、增强的催化活性、可调的表面化学性质和尺寸依赖的反应性[3]，为应对这些挑战提供了可能。多种纳米材料（如聚合物和生物聚合物纳米结构、金属有机框架（MOFs）、金属和金属氧化物纳米颗粒以及多功能纳米复合材料）在废水处理应用中展现出巨大潜力。这些纳米材料促进了光催化、过滤、吸附和抗菌灭活等先进处理过程，提高了对多种污染物的去除效率。同时，纳米材料还推动了水和废水分析中分析监测和传感技术的重大进展。基于纳米材料的传感器和分析平台具有更高的灵敏度、选择性、更低的检测限和更快的响应时间，有助于实现实时监测、早期预警系统和数据驱动的决策，从而有效管理水质。基于纳米材料的治疗和分析技术的结合为开发能够同时进行污染物处理和原位监测的多功能系统提供了机会。此外，生物衍生纳米材料、绿色合成路线和微藻辅助纳米技术的日益采用使这些方法与可持续性和环境安全目标保持一致。图1展示了基于纳米材料的水和废水处理及监测应用。

本文的独特之处在于其对纳米材料的综合性、应用导向的评估，这些纳米材料同时解决了废水处理和分析监测问题。与现有主要将这些功能视为独立研究领域的综述不同（例如，用于吸附重金属的纳米材料[4]、汞（II）修复[5]、磷酸盐污染物去除[6]、细菌病原体消除[7]，或用于检测放射性离子[8]和纳米塑料残留物的纳米材料[9]），本文系统地将这两种功能整合在一个全面的水质管理框架中。文章批判性地比较了不同纳米材料类别、作用机制、分析性能指标和处理效率，并考虑了可扩展性、环境安全性和法规相关性等实际问题。通过总结多功能纳米材料的最新进展，识别关键挑战和研究空白，并展望未来发展方向，本文为开发集有效处理和可靠实时监测于一体的下一代废水处理系统提供了系统的参考依据。本文提出的见解旨在指导未来在先进纳米材料基吸附剂和传感平台的合理设计和应用方面的研究和创新，以实现可持续的水资源和废水管理。

部分摘录

废水中的持久性污染物

废水中的持久性污染物是化学稳定且生物抗性强的化合物，由于其持久性、毒性和生物累积倾向，给传统处理过程带来了巨大挑战。这些污染物来源于多种来源，包括工业废水（如重金属和多氯联苯（PCBs））、农业径流（如农药、化肥和有机磷化合物）以及生活污水和医院排放物（如……）

水处理纳米技术

纳米技术的最新进展在水处理应用中显示出巨大潜力。本节回顾了基于纳米技术的关键方法，包括光催化、过滤、吸附和传感。

纳米材料

纳米材料是指至少有一个维度在1-100纳米范围内的材料，通常根据维度、化学组成、物理状态和结构进行分类。根据维度，纳米材料分为零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）结构[34]。0D纳米材料在三个轴上都具有纳米尺度特征，而1D材料仅在两个维度上具有纳米尺度特征

纳米材料在废水处理中的应用

纳米材料已成为先进的废水处理工具，但其实际应用效果不仅取决于去除效率，还取决于成本、再生能力、稳定性和环境安全性。本节批判性地评估了聚合物纳米材料、MOFs、金属/金属氧化物纳米材料及纳米复合材料，重点讨论了它们的性能比较、机制优势及实施挑战。

性能比较和选择标准

对聚合物纳米材料、MOFs、金属/金属氧化物纳米材料和纳米复合材料的比较突显了它们的内在性质、作用机制和实际限制如何影响在不同污染物类型和操作条件下的性能。这些差异有助于合理选择用于废水处理和分析监测的材料。聚合物纳米材料对金属离子和有机微量污染物具有中等到高的吸附能力

纳米材料的挑战与未来前景

纳米材料凭借其高比表面积、可调的表面化学性质和增强的催化活性，在先进废水处理中发挥了重要作用，能够高效去除和检测多种污染物。尽管如此，科学、技术、法规和操作方面的挑战仍限制了它们从实验室规模向实际应用的转化。主要限制包括对……的理解不足

结论

本文全面分析了纳米材料在废水处理中的应用，系统地将污染物类别及其来源与最有效的基于纳米材料的去除和检测策略联系起来。评估了光催化、过滤、吸附和传感等关键过程的效率、选择性和操作可行性。将功能性纳米材料与传统的和新兴的分析技术相结合

资金支持

本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。

CRediT作者贡献声明

Parisa Mahdavi：撰写——初稿，数据整理。Niloofar Salehpour：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，研究，数据整理，概念构思。Saeed Nojavan：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，研究，资金筹集，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢Shahid Beheshti大学研究事务处的财政支持。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。