水，是生命之源。隨著經濟不斷發展，水污染日益加劇，水資源逐漸承受著無法承受之。以安全可靠和廉價的方式來提供清潔的水資源，成為了21世紀最大的挑戰之一。而納米材料及納米技術，在水凈化領域表現出巨大的潛力，包括過濾、氧化過程中的催化、水質監測等等。
有鑒于此，Nature Nanotechnology推出納米技術在水凈化研究領域的?？w了技術發展、大眾認知、潛在風險以及工業需求等多重考慮。
Treating water with nano[J], Nature Nanotechnology, 13 (2018) 633.
DOI: 10.1038/s41565-018-0238-4
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0238-4
1. 納米技術提高水安全性
通過尺寸，形貌和化學結構的控制，可以實現納米材料催化、吸附、光學、量子、電學和/或抗菌性能的優化，從而能夠提高水處理效率。譬如：
1）納米技術可以增強吸附劑和光催化劑的選擇性，以減輕干擾化合物的阻礙并提高效率；
2）基于納米膜的分離和脫鹽技術可能將繼續成為水處理的關鍵工具；
3） 納米技術將有助于克服操作障礙，如結垢和分離特定離子或分子的選擇性差。通過納米級接枝或摻雜防止結垢可以提高膜的性能和可靠性，而使用納米通道可以設計高選擇性的脫鹽膜。
圖1.1 納米技術增強水處理的優先順序和過程
Pedro J. J. Alvarez等人討論了工程納米材料在水處理和再利用中應用的新機遇和可持續方法，并對潛在開發和實施的障礙以及克服的需求進行探討。
工程納米材料為下一代多功能分布式處理系統提供支持，這種系統相對較小且易于部署。工程納米材料能實現多種功能的集成，如吸附、催化降解和消毒的組合，同時去除大量不同的污染物，或者以前所未有的高選擇性去除特定污染物，并幫助將處理后的水質與預期用途相匹配（如居家飲用、景觀灌溉或工業冷卻）。
圖1.2 納米技術的水處理膜
圖1.3 多功能納米粒子
圖1.4 太陽能直接驅動的蒸發和蒸餾過程
Emerging opportunities for nanotechnologyto enhance water security[J], Nature Nanotechnology, 13 (2018) 634–641.
DOI: 10.1038/s41565-018-0203-2
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0203-2
2. 納米催化材料用于氧化水處理
高級氧化工藝（AOP）可以有效降解有機污染物，而不是簡單地將它們從水中轉移出來。AOP的關鍵在于非均相催化劑的使用，納米催化材料的最新進展為AOP帶來了新的希望。
Jae-Hong Kim課題組客觀地評估了大量的AOP工藝，這些AOP依賴于工程納米材料非均相催化劑來促進污染物降解。據此，作者提出了當前AOP的局限性和改進方式，指出了未來的研究應該旨在提高催化劑的性能，同時應考慮在水處理中實際工程納米材料實施的障礙。
圖2.1 分散水處理中的高級氧化
圖2.2 基于工程納米材料的過氧AOP
圖2.3 基于工程納米材料的光催化AOP
圖2.4 基于工程納米材料的電化學AOP
圖2.5 基于工程納米材料的AOP在水處理中面臨的挑戰和前景
Jae-Hong Kim et al. Challenges andprospects of advanced oxidation water treatment processes using catalytic nanomaterials[J],Nature Nanotechnology, 13 (2018) 642–650.
DOI: 10.1038/s41565-018-0216-x
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0216-x
3.用于水質監測的納米傳感器
納米材料的設計可以實現高效、多功能、高靈活性的傳感應用。PeterJ. Vikesland?總結了用于水質監測的納米技術傳感器的現狀，討論了水監測領域內納米傳感器應用的潛在重點方向，分析了納米技術傳感器如何具有更好的應用價值，為飲用水中的化學物質、微生物和其他分析物提供廣泛且潛在的低成本監測。
圖3.1 代表性的光學、電學、磁學和機械學的納米傳感器平臺
圖3.2 物聯網-啟用水感應
Peter J. Vikesland. Nanosensors for waterquality monitoring[J], Nature Nanotechnology, 13 (2018) 651–660.
DOI: 10.1038/s41565-018-0209-9
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0209-9
4.納米顆粒在飲用水中的健康風險評估
河流、湖泊、海洋和地下水中的天然納米顆粒早于人類而存在，但隨著人們監管和污染問題日益嚴重，工程納米顆粒正在成為潛在的污染物。
新技術不應造成更多的損害。出于這個原因，PaulWesterhoff等人概述了當前納米材料本身對飲用水質量的潛在風險。令人欣慰的是，迄今為止的證據表明這種風險水平非常低。雖然如此，我們依然必須堅持高水平評估，以防納米材料生產的未來增長以及未來技術可能無法預見的危害。
圖4.1 在地表、海洋和地下水中的粒度和數量濃度分布
研究人員對比了在地表水和自來水中的天然納米顆粒（如，二維粘土，多功能病毒和金屬氧化物）和工程納米顆粒的來源、成分和潛在發生情況，結構表明，目前在流入飲用水處理廠的水域中工程納米顆粒比天然納米顆粒數量低幾個數量級。水廠在專門去除小型天然納米顆粒的同時，順便也很好地去除了工程納米顆粒。因此，自來水中的工程納米顆粒濃度極低。但在離開飲用水處理廠之后，從分配管或室內管道中釋放的腐蝕副產物可以將偶然的納米顆粒釋放到自來水中。因此，偶然納米粒子的產生和毒性應成為未來研究的焦點。
Low risk posed by engineered andincidental nanoparticles in drinking water[J], Nature Nanotechnology, 13 (2018)661–669.
DOI: 10.1038/s41565-018-0217-9
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0217-9
5.納米技術在工業水處理中的作用
納米技術有可能使工業上的水處理更有效、更便宜，但現在還為時尚早。納米材料和納米技術的商業之路任重道遠，在大規模生產之前需要開發整個新的制造生態系統，工藝規模最終是工業水處理的主要挑戰。
工業過程消耗大量水，并產生大量廢水。因此，納米技術的水處理過程必須是具有可擴展的，才具有工業可行性。納米材料的可擴展性仍然是其實施中的主要挑戰。只有人們廣泛接受，這項技術才能成功運用。
作者認為，學術界必須致力于解決工業需求，而不是開發技術，然后找到適合它的應用。工業水處理有特定的需求，如果研究人員和最終用戶能夠合作開發明確問題的解決方案，將使全人類受益。
David Jassby et al. The role ofnanotechnology in industrial water treatment[J], Nature Nanotechnology, 13 (2018)670–672.
DOI: 10.1038/s41565-018-0234-8
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0234-8
6.消費者的擔憂是否會妨礙水處理納米技術的發展？
初步研究表明，消費者對納米材料在水處理方面的擔憂，并沒有制造商想象的那么高。公眾認知本身并不是納米技術水處理的障礙，而是行業必須保持誠實和透明的信息水平。
只要盡可能負責任地進行技術開發和使用，消費者基本都能接受。制造商需要做的，就是繼續專注于建立消費者對其產品安全性的信心，以加強消費者信心的方式開發產品，這樣才能促進整個行業的發展。
Andrew D. Maynard et al. Are assumptionsof consumer views impeding nano-based water treatment technologies? [J], NatureNanotechnology, 13 (2018) 673–674.
DOI: 10.1038/s41565-018-0230-z
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0230-z
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