受无机物、有机物、细菌、重金属及各类毒素等杂质影响，全球水体质量显著下降，此类污染物不仅威胁人类用水安全，还对水生生态系统造成严重破坏。传统水处理工艺在去除痕量污染物方面存在局限性，亟需开发高效低耗的新型净化技术。纳米技术因纳米颗粒独特的理化性质成为近年废水净化领域的突破性解决方案，其材料具备超大比表面积、高反应活性、尺寸效应及可功能化修饰等优势，可针对不同性质的污染物实现高效去除。本综述系统梳理了纳米材料在废水净化领域的最新进展，重点关注技术应用效率与安全性评估。研究核心贡献在于对基于纳米材料的光催化剂、吸附剂及过滤技术的现有成果进行了系统性整合，详细探讨了金属及金属氧化物纳米颗粒、碳基纳米材料、沸石及膜过滤系统在废水修复中的作用机制。研究结果旨在为动态发展的纳米废水处理领域提供实践应用参考、技术演进路径及未来挑战研判，同时兼顾生态毒性风险与长期环境归趋分析，为绿色可持续水处理技术的研发提供理论支撑。
引言
全球水资源总量丰富但仅2.5%为可利用淡水，作为通用溶剂的水易溶解各类物质导致污染扩散。生活污水、工业副产品及农业化肥渗漏是主要污染源，可传播病原微生物并引发健康风险。当前全球约45%人口缺乏基本卫生服务，15%人口无法获得安全饮用水，每年数百万儿童死于水污染相关疾病。废水中含有的铅、汞、砷、钴、镍等有毒金属及新兴污染物在低浓度下即可威胁人类健康与生态系统。传统废水处理分为物理、生物、化学三类方法，虽成本可控但存在能耗高、基础设施占地大、工程复杂度高及对重金属、毒素、磷氮去除效率低等问题，亟需开发低基建、高能效、低成本的新一代处理技术。纳米技术凭借纳米材料的大比表面积、高表面功能化密度及尺寸依赖性活性，成为解决上述问题的有效途径，可高效去除重金属、有机无机物、染料、生物毒素及伤寒、霍乱等病原体，同时通过绿色合成策略降低材料成本与环境负荷。共价有机框架（COFs）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）、钙钛矿基光催化剂等新型材料在选择性吸附铀酰离子、降解各类杂质方面展现出优异性能。本综述区别于过往单一材料或单一机制的同类研究，首次整合了涵盖金属纳米颗粒、金属氧化物、碳基纳米材料、沸石、金属有机框架（MOFs）、层状双氢氧化物（LDHs）及纳米膜的多元技术体系，同时兼顾应用效率评估与潜在生态风险分析，填补了现有技术空白。
废水来源、组成与传统处理方法
废水来源与组成
废水分为居民源与非居民源两类：居民源污水以公共住宅排放为主，99.9%为水分，0.1%为悬浮固体、可降解溶解性无机/有机物、金属、营养盐及病原微生物；非居民源主要来自工业、农业及商业设施（医院、餐饮、零售等），成分随来源差异显著，如餐饮业含油脂、纺织业含染料、农业与工业废水含生物污染物、有毒化学品及重金属离子，雨水径流则携带街道无机/有机物与农田化肥农药。
传统废水处理方法
传统工艺通过物理化学方法分离污染物，典型流程分为三级：预处理阶段通过格栅与沉砂池去除大尺寸漂浮物（纸张25%、破布60%、塑料5%）与重质无机颗粒（砂砾）；一级处理通过沉淀池分离大部分悬浮固体，可去除40%生化需氧量（BOD）、80%-90%悬浮固体及55%微生物，底部污泥经厌氧消化产生甲烷用于厂区供热，剩余污泥填埋或送至固废处理单元；二级处理利用微生物降解溶解性有机物并脱氮除磷；部分工厂增设三级处理，通过物理化学方法进一步去除残留无机/有机物与微生物，出水可达饮用水标准。传统技术存在明显局限：蒸馏对高沸点污染物无效；混凝絮凝需投加碱性药剂并产生大量化学污泥；化学转化试剂消耗量大；紫外辐照运行成本高且在浊水中失效；生物处理速率慢、成本高且微生物调控难度大；活性炭吸附再生成本高、对特定污染物容量有限且易堵塞；反渗透对挥发性有机物与药物去除效率低且能耗高。
研究方法
本研究采用系统文献综述（SLR）法，遵循PRISMA指南确保研究质量与一致性。检索策略基于Scopus数据库，限定2005-2025年发表的英文同行评审论文、综述及书籍章节，检索词组合为“废水处理”与“纳米吸附”“纳滤”“光催化”的布尔逻辑匹配。筛选流程严格执行标题摘要初筛、全文精读与质量评估三级标准，最终纳入文献均经过相关性验证。
纳米技术在废水处理中的应用
纳米技术通过在纳米尺度集成原子与分子合成材料，为废水处理提供了替代工具。纳米颗粒因尺寸小、精度高、反应活性强及可绿色低成本制备，凭借高比表面积带来的高密度活性位点实现高效吸附。其应用可分为三类：纳米吸附剂、纳米催化剂（光催化剂）与纳滤膜。
纳米吸附剂
吸附过程通过物理或化学作用使吸附质附着于吸附剂表面，纳米吸附剂因高比表面积与可功能化修饰特性对重金属、染料、药物等污染物表现出快速动力学与高选择性，可再生使用。
碳基纳米吸附剂
包括活性炭、富勒烯、石墨烯、碳纳米管（CNTs）等，在酸碱环境下化学性质稳定。单壁碳纳米管（SWCNTs）对双酚A去除率75%-80%；多壁碳纳米管（MWCNTs）对酚类与非甾体抗炎药去除率80%-99%，对腐殖酸去除率80%-85%；还原氧化石墨烯/聚丙烯酰胺（RGO/PAM）对Pb(II)吸附容量达1000 mg/g；氧化石墨烯-四氧化三铁（GO-MnFe₂O₄）对Pb(II)、As(III)、As(V)吸附容量分别为673 mg/g、146 mg/g、207 mg/g。活性炭由生物质制备成本低，对苯、甲苯吸附容量分别达860 mg/g与1200 mg/g，对Ni(II)、Co(II)、Cu(II)、Cd(II)、Pb(II)等重金属离子亦有良好去除效果。碳纳米管可通过表面氧化、接枝提升分散性与吸附性能，高温石墨化处理会因缺陷减少降低吸附效率，pH值通过影响表面电荷调控吸附行为。石墨烯及其衍生物因高比表面积、丰富π键与含氧官能团，对Hg(II)吸附容量可达活性炭的6倍，对Pb(II)吸附20分钟内即可达479 mg/g，性能优于活性炭与碳纳米管。
生物吸附剂
以生物与农业废弃物为原料，成本低、效率高且无二次污泥。鲑鱼精DNA水凝胶可选择性吸附二噁英衍生物并可用正己烷再生；添加三油精的生物吸附剂可有效去除痕量有机污染物；造纸黑液制备的生物吸附剂对重金属吸附顺序为Pb(II) > Cu(II) > Cd(II) > Zn(II) > Ni(II)，吸附通过羧基与酚羟基的表面络合实现。
金属基纳米吸附剂
金属氧化物（MgO、ZnO、MnO₂、Fe₃O₄、TiO₂、CdO）对重金属与有机染料的吸附性能优于活性炭，小尺寸与大比表面积缩短内扩散距离。磁性纳米金属氧化物可通过外加磁场快速分离，降低运行成本。四氧化三铁/羧基化石墨烯（Fe₃O₄/GO-COOH）对Ca²⁺与Cu²⁺的去除率分别达78.4%与51%，5次循环后回收率仍保持821%与91.8%；GO/PVA/Fe₃O₄复合材料对Co(II)吸附容量优异且可通过磁分离回收；MnFe₂O₄-石墨烯复合材料对Cd与Pb的吸附容量分别达76.90 mg/g与100 mg/g，符合准二级动力学模型且磁性可回收。零价铁（ZVI）可高效去除无机与有机污染物，改性零价铁颗粒（NZVIPs）负载于农业废弃物后对Pb²⁺兼具吸附与还原作用；铅掺杂锌铝氧化物纳米颗粒对甲基橙（MO）去除率达99.6%，最大吸附容量200 mg/g，酸性条件下通过静电作用结合阴离子染料。
聚合物基纳米吸附剂
具有高比表面积、稳定性好、成本低、可加工性强及选择性高等优势。聚醚砜（PES）复合ZIF材料对孔雀石绿去除率达99.2%，通过π-π堆积作用驱动；淀粉接枝丙烯酸与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物负载磁性纤维素纳米晶（M-CNCs）水凝胶，对结晶紫与亚甲基蓝吸附容量分别达2500 mg/g与1428.6 mg/g；Fe-Al层状双氢氧化物/rGO/海藻酸钠（FAH-rGO/SA）复合材料对As(V)去除率超98%，吸附容量达190.84 mg/g；聚乙烯二醇/氨基化石墨烯/Fe₃O₄复合材料对油田采出水中Ca²⁺与Mg²⁺去除率分别为69.8%与61.1%，10分钟内即可完成吸附且可重复利用。
沸石
具有三维微孔晶体结构，离子交换容量高、比表面积大。十六烷基三甲基铵（HDTMA）改性沸石通过疏水作用与离子-偶极相互作用去除酚类衍生物，pH<7时以中性分子疏水分配为主，pH>7时以阴离子静电作用为主；负载混合菌的改性沸石可降解喹啉与吡啶并吸附产生的铵根离子；天然斜发沸石与菱沸石经NaOH改性后对Pb与Cd去除率超99%。低硅铝比（Si/Al < 2）亲水，高硅铝比（Si/Al > 5）热稳定性与耐化学腐蚀性更强。磁性沸石、锰改性沸石、铜改性沸石分别通过磁分离、Cr(VI)还原、重金属络合提升性能，弱酸或盐溶液可实现再生重复使用。
层状双氢氧化物（LDHs）基吸附剂
为二维阴离子黏土，层板带正电，含二价与三价金属阳离子、水分子及可交换阴离子，层间距可调、比表面积大、阴离子交换容量高。橘子皮生物炭/LDH复合材料对Cu(II)吸附容量达~68 mg/g，优于CNT改性LDH；CaAl-LDH对Cd(II)吸附容量达~592 mg/g，通过溶解释放OH⁻诱导共沉淀与同晶置换双重机制实现。吸附机制包括离子交换、静电吸引、表面络合与配体螯合，通过缺陷工程、插层功能化与杂化可进一步提升性能，但极端pH下的结构不稳定性、竞争离子干扰与循环稳定性仍是规模化瓶颈。
金属有机框架（MOFs）纳米材料
由金属离子/簇与有机配体构筑的多孔晶体材料，比表面积极高、孔径可调。ZnO/MOF复合材料结合MOF的孔隙优势与ZnO的光催化活性，对Cd²⁺、Pb²⁺、Hg²⁺吸附快速高效；聚丙烯酸功能化氧化铁-Cu-MOF杂化材料对Pb²⁺吸附容量达610 mg/g，去除率93%；乙二胺功能化锆基MOFs对Pb²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺吸附容量达243.9 mg/g；聚吡咯/富马酸铝MOF复合材料在pH 3-9范围内对Pb²⁺近乎完全去除。相比活性炭、沸石与金属氧化物，MOFs在吸附容量、灵活性与多离子选择性方面更具优势，但规模化应用仍需解决稳定性与再生难题。
光催化
光催化属于高级氧化工艺（AOPs），利用光激发催化剂产生活性物种降解污染物，最终矿化为CO₂与H₂O。纳米半导体光催化剂因高比表面积使光生电子-空穴对更多分布于表面，减少复合概率，提升量子效率。理想光催化剂需具备光稳定性、高光活性、化学与生物惰性、低成本及无毒性。TiO₂禁带较宽仅响应紫外光，通过掺杂与复合可拓展至可见光响应，利用占比46%的太阳能降低运行成本。
无机污染物去除
TiO₂可光催化去除AgNO₃、Hg(II)、CH₃Hg(II)氯化物；ZnO可在可见光下去除KCN与Cr(VI)；CdS/钛酸盐纳米管复合催化剂通过能级匹配促进电荷分离，氨氧化效率达52.3%，高于单一组分之和；可见光照射40分钟即可将氨转化为氮气，效率超80%。
有机污染物去除
可将羧酸、氯代芳烃、醇、酚类等有害有机物矿化为无害产物，对纺织染料、腐殖质的降解效果显著，TiO₂纳米颗粒可使饮用水中腐殖酸浓度降低50%。Ag/TiO₂/PVA纳米复合材料对工业废水中Cr⁶⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺的去除率分别达94%、85%、77%、77%，5次循环后活性保持95%以上。
重金属去除
TiO₂分散体系可回收Pt(IV)、Au(III)、Rh(III)，Au可与CN⁻同步分离并降解；TiO₂光催化还原Cd回收率超90%；TiO₂-Au纳米复合材料对Cr(VI)还原率达91%，优于纯TiO₂，归因于Au的表面等离子体共振拓宽光吸收并抑制电子-空穴复合。
微生物去除
TiO₂与ZnO通过产生活性氧（ROS）破坏微生物蛋白质、DNA与细胞膜，实现消毒。TiO₂/纤维素、ZnO@ZrO₂@纤维素等复合纤维在模拟太阳光下照射2小时，对沙门氏菌、大肠杆菌、芽孢杆菌等的去除效果显著，通过ROS氧化损伤细胞结构实现灭菌，避免了氯消毒产生致癌消毒副产物（DBPs）的风险。
纳滤
纳滤（NF）是介于反渗透（RO）与超滤（UF）之间的压力驱动膜过程，操作压力5-20 bar，孔径0.5-2.0 nm，能耗低于RO且截留性能优于UF，可去除几乎所有无机/有机污染物与微生物。碳纳米管-陶瓷复合膜对酵母过滤效率达98%，对重金属去除率近100%；CNT纳滤系统对MS2病毒去除效率在8-11 bar压力下表现优异；石墨烯膜对染料分子吸附容量高但对离子截留中等；氧化石墨烯（GO）微米厚纳滤膜可阻隔蒸汽、液体与气体，仅允许水分子透过。新型多孔有机聚合物（POPs）、MXene、纤维素纳米晶（CNC）等材料可提升纳滤膜的渗透性、选择性与抗污染性：CNC增强亲水性与机械强度；MXene通过调控表面电荷提升离子截留；POPs的高孔隙率提升渗透率；层间复合结构融合多材料优势，实现性能协同提升。
高级氧化工艺（AOPs）
AOPs通过产生羟基自由基（·OH）非特异性氧化污染物，Fenton工艺以H₂O₂与Fe²⁺反应生成·OH为核心，条件温和、操作简单、成本低，但存在铁泥产量大、pH适用范围窄、H₂O₂利用率低等局限。改进型异相Fenton、光-Fenton、电-Fenton等工艺通过催化剂优化克服上述问题：FeCeOₓ催化剂引入氧空位加速Fe³⁺/Fe²⁺循环与H₂O₂活化，罗丹明B降解率达98%，适用pH范围拓宽；Fe₃O₄-Fenton工艺用于污泥调理，30分钟内含水率从86.4%降至61.3%，磁性可回收特性降低环境风险；MoS₂/铁复合催化剂结合过渡金属硫化物性能与铁的光-Fenton效应，污染物去除率达73.10%；光-Fenton与活性炭吸附联用处理乳制品废水，COD去除率79%，总污染物去除率99%；针铁矿光-Fenton催化剂对恩诺沙星降解率89.7%，通过脱氟与开环实现解毒；双金属Fe-Mn电极电-Fenton工艺对左氧氟沙星去除率达98.9%，金属离子溶出少，避免二次污染。
纳米废水处理方法的性能评估与工程挑战
三类核心技术各有优劣：纳米吸附剂适用于重金属、药物、染料，通过化学吸附、静电作用、表面络合与离子交换实现去除，能耗低但纳米颗粒回收困难，规模化受限于材料成本与分离效率；光催化适用于药物、农药、偶氮染料、持久性有机物，通过光生电子-空穴对产生活性氧实现完全矿化，无二次污泥但需光照输入，反应器设计与光分布均匀性是放大瓶颈；纳滤适用于多价离子、天然有机物、微污染物、微塑料，通过分子筛分与电荷排斥实现精准分离，能耗低于反渗透，膜组件易集成但存在膜污染与浓水处置问题。共同挑战包括：纳米材料在极端pH下的化学稳定性、实际废水复杂基质的质量传递限制、规模化生产的成本控制、长期运行的二次污染风险及全生命周期的环境归趋评估。
纳米技术的局限性与风险
纳米材料毒性
纳米颗粒尺寸（1-100 nm）与细胞膜厚度、蛋白球、DNA螺旋相当，可穿透上皮与内皮屏障进入淋巴与血液循环，分布至心、脑、肝、脾、肾、神经与骨髓。毒性受形貌与尺寸调控：6 nm金纳米颗粒可进入细胞核，10-16 nm颗粒滞留胞质；球形颗粒比纳米纤维更易被胞吞；片状与针状羟基磷灰石纳米颗粒比球状与棒状毒性更高；TiO₂纳米颗粒可改变微管蛋白构象，抑制聚合从而影响细胞内运输、迁移与分裂。
成本效益
纳米材料合成与纯化成本直接决定技术可行性，降低纯度可降低90%成本但会牺牲部分性能。通过磁分离回收、多次循环再生与多功能化设计可提升成本效益，如光催化剂再生与纳米吸附剂重复使用。
水体中纳米材料的转化风险
纳米颗粒沉降速率慢但易吸附土壤与沉积物，在水体中发生氧化-还原、光化学转化及与环境介质的交互作用，改变污染物的吸附与释放行为，形成原始态、风化态、改性态与环境迁移态等多种形态。
生态毒性
Ag、TiO₂等金属纳米颗粒年产量持续增长，可抑制水生植物与浮萍生长，低剂量长期暴露可导致藻类、浮游动物、甲壳类等低营养级生物氧化应激、代谢紊乱、繁殖力下降甚至死亡，通过食物链传递威胁高营养级生物。纳米银陶瓷滤器过滤后水中可检出微量Ag纳米颗粒，大鼠长期摄入TiO₂纳米颗粒可致器官损伤，工程纳米颗粒还与遗传毒性、致癌性、肺部炎症及循环系统效应相关。
水体污染
多壁碳纳米管可导致斑马鱼与锯齿阿斯特拉汉鱼的DNA交联、急性与亚急性纳米毒性及氧化应激；银纳米颗粒可引起鱼类遗传毒性与氧化应激升高；富勒烯与碳纳米管的分散剂四氢呋喃本身也存在潜在毒性风险。
废水处理系统的生命周期与技术经济评估
生命周期评估（LCA）量化技术全流程（原料提取、系统构建、运行、处置）的累积环境影响，显示纳米材料合成阶段（如碳纳米管、TiO₂、零价铁）温室气体排放显著，纳米强化膜生物反应器虽出水水质更优但制造阶段能耗高于传统活性污泥法。技术经济分析（TEA）结合规模效应、材料回收与能量回收，表明随着制备工艺成熟，纳米技术与传统技术的成本差距将缩小，光催化氧化技术因试剂消耗少、污泥处置成本低，运行支出优势明显。LCA与TEA的联合评估是推动实验室创新转化为实际可持续应用的必要工具。
结论与未来展望
传统废水处理能耗高、成本贵且难以实现资源回用，纳米技术的集成将推动该领域革新。未来研究应聚焦于：开发绿色可持续的纳米材料合成策略，减少有害化学品使用与能耗，提升可扩展性；设计兼具吸附、光催化、抗菌与磁分离功能的多功能纳米复合材料，实现协同增效与稳定回收；开发响应pH、光照、热量、污染物浓度的智能纳米材料，实现靶向作用与自恢复；结合机器学习与人工智能优化材料设计与工艺参数；推进中试验证与复杂工业废水测试，完善长期稳定性、毒理学、环境归趋与循环利用评估；耦合纳米材料与膜工艺、固定床反应器、高级氧化工艺，形成经济可行的工业化解决方案。
