当前世界环境

介绍

废水的处理对于保护公众健康和环境至关重要，因为未经处理的废水可能导致疾病传播、水道污染和对水生生物的危害。废水处理是指在废水(包括生活污水和工业废水)排放到环境之前，将其去除污染物的过程。污水处理一般有以下处理阶段:

前言的过程

这个阶段包括使用筛网和砂砾室清除大型物体和碎片，如棍棒、石头和破布。

最重要的过程

该接缝主要用于通过沉降和撇清来消除沉淀和浊度。污染物被认可沉淀，并沉降到底部的固体被立即去除。

下属的过程

这种现象被用于生物工艺去除微生物和营养物。废水与微生物混合在曝气池中，微生物消耗有机物并将其转化为二氧化碳和水

提前处理

该操作利用先进技术(纳米材料和薄膜)去除任何残留污染物并对废水进行消毒。三级处理采用多种方法，包括砂过滤、碳吸附、氯或紫外线化学消毒。

总的来说，废水处理通过在废水排入环境之前去除污染物，在保护公众健康和环境方面发挥着至关重要的作用。纳米材料和薄膜技术正在成为强有力的工具

用于废水分析，与传统方法相比，具有提高准确性、灵敏度和效率的潜力。本综述将探讨这些技术在废水分析中的应用及其潜在应用。纳米材料表现出特殊的特性，特别是表面体积比(SA:V)，这使它们在废水分析中具有吸引力。例如，碳纳米管(CNT)、碳纳米管(SWCNTs)、碳纳米管(MWCNTs)和活性碳氧化物已被用于揭示废水中的硬核岩石、有机化合物和其他污染物。薄膜技术是指在衬底上沉积一层薄薄的材料。这些薄膜可用于传感应用，例如检测废水中的污染物。例如，金属氧化物薄膜，包括二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)，已被用于识别废水中存在的未处理化合物。总的来说，利用纳米材料和薄膜技术进行废水分析，在提高废水分析的准确性、灵敏度和效率方面显示出巨大的希望。随着这些技术的进一步发展和完善，这些技术致力于在更广泛的范围内确保水资源安全和保护公众健康。

在全球化的今天，商业企业得到了更新和高度发展。我们的周围充满了人类活动或工业过程中排放的各种危险废物。这类有毒废物包括氯氟烃(CFCs)、一氧化碳(CO)、重要金属(铬、砷、镉、铅、锌和汞)、(N2O)、有机化合物(二恶英和挥发性有机化合物)和微粒。人为活动，如煤炭、润滑材料和点火，有巨大的潜力改变自然水源的生产¹。还有各种各样的污染，如石油泄漏、杀虫剂、除草剂、三嗪、杀虫剂和杀菌剂的废弃处理、工业实践的副产品、焚烧、施肥和大量使用天然气。在世界上，有29%的水不是在冰川中生长的，只有8%的水是健康的²这就好比一勺水和一个5立方分米的可饮用液体容器。在当前阶段，获得纯净水已成为一个迫切需要解决的问题，而解决这些耦合问题相对复杂^3、4。

补救是去除、中和或尽量减少对生物体健康有有害影响并同时抑制对生态系统的影响的水掺杂的程序。修复自动化主要可以分为三组，明确地(A)物理化学(B)生物方法和(C)热技术。一般来说，传统的吸附、萃取和氧化等方式是渐进的、低效的和昂贵的，而补充的环境友好型生物降解是低成本的，但特别停滞不前。纳米技术提供了在纳米尺度上管理物质的设施，并以这样一种方式组装材料，使它们具有特定的性质(尺寸、温度、电阻等)，并具有纳米材料的明确功能⁶。纳米材料是一种非常微小的结构，具有尺寸(1-100nm)，其表面体积比(SA:V)非常特殊和独特(107:1)，可用于刺激含水污染物中的污染物⁷。纳米科学的进步可以通过应用纳米工具、工业化进程的进步，以及重要的是通过创造意识来避免进一步的掺假。因此，在给定的区域内，该技术的首要需求可以分为三个主要部分，如图1所示。首先是修复:纳米材料的表面积与体积之比非常高，因此可以用于检测纳米污染物以及纯水中的抗生素。其次，污染物的圣化:纳米技术在纳米尺度(1-100)nm的纳米材料和(100-200)nm的薄膜的特定结构上的应用。最后，利用传感技术检测污染防治技术。通过对掺假群体的迅速加入和他们的深思熟虑，在需要的时候能够放纵和逃避的机制的成长^{8 9 10}。

图1:纳米技术在废水处理中的重要领域 点击此处查看图

本文对纳米技术在水体污染修复中的作用进行了全面的研究，重点介绍了纳米材料和薄膜技术在废水处理中的应用。最重要的纳米吸附剂，如金属基，碳纳米管和聚合，纳米光催化剂，纳米膜，他们的范围和未来的应用进行了讨论，如图2所示。

图2:用于废水处理的纳米技术类型 点击此处查看图

材料与方法

纳米技术用于含水污染物

从非常先进的纳米技术到标准系统纳米技术的变化，为改进优越的水和废水技术提供了新的可能性。纳米技术(1-100nm)由于尺寸和面积的原因简化了净水方法，以一种非常经济的方式扩大了地下水源¹¹。利用纳米纤维作为副导体的去光电离技术不仅价格低廉，而且进一步节约能源¹²。普通的水过滤策略采用半透膜进行反电渗析。被膜的孔径下降到微米级的变化将提高分子的性能，允许从头到尾超过。仍然可以过滤病毒的膜与目前存在的膜相当¹³。工程是在净化、分离和去除过程中更松散的应用，平方测量颗粒取代树脂，即平方测量未经处理的化学化合物膜，表面上有纳米大小的孔，无论离子在哪里，平方测量吸引并改变为替代离子¹⁴。污染物的吸附方尺吸附剂广泛应用于水中掺假和净化，以去除有机和无机污染物，例如方尺碳和离子交换树脂。纳米颗粒的使用可能比标准材料有好处，因为纳米颗粒在质量基础上有很多更大的范围。此外，这些纳米粒子的结构、电子和光学特性的奇异性将使它们成为特别强大的吸附剂。许多材料的性质都与尺寸有关¹⁵。

用于废水处理的纳米材料

纳米材料具有特殊的尺寸依赖特性，与它们的比表面积(SSA)升高有关，这导致强吸附、加速悬浮、膨胀的反应性以及不规则的性质。这些性质包括超顺磁性、受限表面准粒子共振、量子约束效应的发展。

图3:纳米材料的功能和性质。 点击此处查看图

纳米结构的独特性质使其成为制造先进高科技物质的理想选择，这些物质可以更有效地用于水和污染物的处理。这些材料包括薄膜、表面同化材料、功能化表面、涂层和试剂。图3说明了纳米材料的各种功能及其在这些领域的应用。

结果与讨论

纳米材料吸附剂

在目前的情况下，纳米颗粒正在被考虑作为吸附剂的潜在应用。目前的研究机制是研究以下类型的纳米吸附剂:碳活化纳米吸附剂，如碳纳米管(CNTs);金属nano-adsorbents;聚合物nano-adsorbents;和沸石。Gubin和Kalfa等人在他们的工作中发现，纳米颗粒的尺寸越小，其表面积越大，这可能会增强其化学活性和吸附能力^{16、17、18岁}。在该技术中用于在水溶液中运输垃圾金属的重要纳米材料包括碳纳米管、活性炭(AC)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、无机化合物如氧化锰(MnO)、氧化铁(Fe)₂O_3.)和氧化钛(TiO₂)和氧化石墨烯(C₁₄₀H₄₂O_20.）¹⁹。

无机纳米颗粒是基于氧化物的纳米颗粒，通常是通过金属和非金属制备的。这些纳米颗粒普遍用于消除液体中的有害掺杂物。包括氧化钛^20.、氧化镁²¹、锰氧化物²²、氧化铁^23日,24日和氧化锌²⁵。石墨烯以许多不同的形式存在，并具有独特的特性，使其对许多环境和废水应用非常有利。石墨烯的主要特性是其高比表面积(0.6 m2/g)，重量轻(?0.77 mg)，机械强度(?150Gpa), chemical stability, and elasticity^26日,27日。此外，氧化石墨烯作为功能材料的出现也影响了吸附质量、工艺及其未来的范围²⁸。表1表示污染物去除的可比值和百分比，以及金属类型、pH值和吸附剂剂量。硫化锌²⁹,石墨烯^30.、沸石³¹，并以磁性纳米材料作为纳米吸附剂，比较其对污染物的去除效果^{32、33岁的34}。

表1:吸收剂种类及去除污染物的量

S.N	Nano -吸附剂	纳米材料	沉重的材料	实验设置			清除污染物(%)	Ref。
				pH值	时间(分钟)	吸收剂浓度(g/L)
1	硫化锌	纳米晶	Hg (2)	1 - 6	5	10	99.99	[19]
2	石墨烯/ d-MnO2 (GNS)	毫微表	镍(II)	NR	20.	5	77.04	[20]
3.	磁包覆沸石	包覆纳米粒子	(3)	2．5	15	0.5	95.6	[21]
4	磁性纳米材料	Nano -吸附剂	Pb2 +	6	10	20.	80	[22]
5	磁性沸石	炉渣副产品和污泥	镉和铅(II)离子	5.49 - -7.48	89	5.99	> 85.7	[23]
6	磁性纳米材料	(基于)吸收剂	菲2O3.铁氧体和Zn+2	5.48	89.5	2.49	95.6吗?	[24]

与传统吸附剂相比，纳米材料作为吸附剂具有许多优点。例如，纳米材料可以在更短的接触时间内以更低的浓度去除污染物，从而减少总体处理时间和能耗。此外，纳米材料的高表面积提供了更多的吸附位点，这可以增强材料的化学吸附能力。先进的碳资源如富勒烯、炭化源、活性炭和分级碳因其对大量有毒废物、有机化合物、重金属和染料的优异吸附性能而被广泛应用。类似于二氧化钛和氧化铁的结晶固体由于其广泛的表面和表面反应性，也显示出有希望的吸附剂效果。这些材料可以通过吸附、沉淀、光催化等多种机制去除污染物

尽管纳米材料作为吸附剂具有广阔的潜力，但其应用仍存在一些挑战。其中一个主要的挑战是这些材料的合成和功能化的成本，此外，纳米材料可能释放到环境中是一个需要解决的问题。总的来说，使用纳米材料作为吸附剂对于消除水和废水中的污染物具有很大的希望。随着进一步的发展和优化，这些材料可能成为水处理过程的重要组成部分，有助于确保水资源的安全和可持续性。

纳米材料作为催化剂

纳米催化剂在环境保护和水处理中发挥着非常重要的作用。用作催化剂的重要技术有:电催化和光催化。对于有机化合物，芬顿催化已被大规模应用。纳米材料在净化方面非常重要，并且在无机材料中越来越受到关注，其特性如图2所示。纳米催化剂具有独特的性质，主要用于光催化、电催化等废水处理³⁵催化剂通常由固体支撑材料组成，如活性炭或二氧化硅，用Fe2+离子功能化(芬顿催化剂)。³⁶改善有机污染物的分解³⁷杀灭细菌的行为³⁸。在光催化中，广泛使用的氧化钛和氧化锌由于其在紫外辐射活性过程中的高带隙(- 3.39 eV)给光催化带来了很多不便，这需要进一步的研究。

图4:纳米颗粒作为催化剂 点击此处查看图

二氧化钛(TiO2) (IV)广泛应用于光催化，预计其对难以察觉的辐射(?K < 400nm)，稳定性好，特性实质³⁹。同样，另一种不溶于水的可生物降解材料氧化锌(ZnO)由于其与氧化钛相似的独特光致发光特性，作为换能器和光催化剂已被广泛研究⁴⁰。VB和CB波段的分离描述了所考虑的材料的能级，并且在纳米级原子结构中起重要作用，即硫化镉(cd)的禁能隙(禁能隙)为2.42 eV，使其成为可以在?<495 nm波长范围内工作的合适半导体⁴¹。CdS纳米颗粒作为一种光阴极处理和净化污水中的工业颜料已受到广泛关注⁴²。虽然钛、锌和镉的氧化物具有广泛的光催化活性，但它们仅在波长范围为[100-400 nm]的紫外范围内表现出功能特征。重要的是，由于二氧化钛具有广泛的超晶格异质结构能级?[3.2-3.65]eV，因此需要额外的修正才能进行最佳的催化分析，并增强其在可见光光谱(约[340-700 nm])下降解天然水性污染物的活性。图4表示了纳米催化剂在有机和无机纳米颗粒中的作用范围。各种纳米催化剂处理含水污染物的有效性、结果、条件和污染物类型见表2。

表2:用于寻找水杂质的纳米催化剂类型

S.N.	催化剂	光谱	状态	污染物	结果	Ref。
1	TiO2(tri-titanate)	紫外光谱区	量- 1g /L，间隔- 2h	化合物和染料C4H12CIN	危旧率达90%	[33]
2	溴化银/氧化锌	?410 nm可见区	剂量1 g/L, pH 6.85，样品辐照240 min	亚甲基蓝(MB)	经溴化银/氧化锌分解，溴化银含量87%	[34]
3.	半导体ZnO纳米棒	? 370nm紫外光谱区	催化剂用量为1 g/L，持续45分钟	RhB	改进的光催化降解RhB	[35]
4	零价纳米 铜	可见光光谱[380-700]nm	催化剂剂量= 0.16 g/L，作用80 min	C14H14N3.NaO3.年代(莫)	辐照降解甲基橙的时间为82分钟，效率可达36%。	[36]
5	ZnO-FeO clino-ptilolite	电磁辐射太阳射线	pH=8.3，机制剂量= 0.1 g/L	受污染的鱼塘水	效率约80-85%	[37]
6	石墨烯- CoxZn1-xFe2O4	可见区域的辐射	亚甲蓝浓度(60min) = 5mg /L，载药剂量7= 100mg /L	Methylthionine氯	与钴掺杂铁酸锌纳米颗粒相比，石墨烯-钴掺杂铁酸锌异质结构的光催化效率更高。	[38]
7	3 d SnO2	紫外区?[100-400]nm	测量值=1.99 g/L，间隔=2.52 h	法术= 2g /L，间隔=2.5 h	样品辐照160分钟，甲基橙的降解率可达85%	[39]

TiO₂溴化银催化剂对化学物质和染料的去除率可达90%^43、44。ZnO纳米路改善了RhB化合物的光催化降解⁴⁵。一种脱除甲基橙(MO)的催化剂^46岁,49、鱼类污染⁴⁷甲基硫氨酸氯⁴⁸催化剂分别为ZnO-FeO、石墨烯和氧化锡。

纳米材料在催化反应方面具有很高的选择性和效率，减少反应时间和能耗。使用纳米材料作为催化剂最显著的优点之一是其表面积与体积相比相当高，允许更多的活性位点，使催化反应更有效地发生。此外，纳米材料的可调表面化学可以优化催化活性和选择性。由于二氧化钛、氧化铁和氧化锌等催化剂具有优异的光催化性能，因此得到了广泛的研究。这些材料可以在可见光或紫外光下催化反应，使其适用于水处理和空气净化等应用。石墨烯氧化物和石墨烯纳米片等碳材料的独特电子特性和高表面积已经证明了作为催化剂的令人鼓舞的结果。这些材料可以催化析氢和还原氧等反应。尽管纳米材料作为催化剂具有显著的优势，但其使用仍存在一些挑战。主要的挑战之一是这些材料的合成和功能化的成本。此外，人们可能会担心这些材料对环境的潜在影响，特别是如果它们被释放到环境中。 Overall, the use of nano-materials as catalysts shows great promise for improving the efficiency and selectivity of chemical reactions, reducing reaction time and energy consumption, and enabling the development of sustainable and environmentally friendly processes.

纳米材料作为膜

膜在废水处理中起着非常重要的作用。此外，纳米过滤是一种膜过滤技术，合成孔径约为- 0.5-15nm的结构，特别用于废水处理，通常被称为纳米材料膜。

图5:不同类型的纳米膜 点击此处查看图

图6:纳米材料作为膜的过滤过程。 点击此处查看图

纳米膜对于去除主要来自纺织工业的各种污染物(包括蓝色和红色染料)非常有效。他们还发现了去除Co, As, Cr, Ni等重金属的有效方法，⁵⁰。图(5,6)表示不同类型的膜和过滤过程。与现有的先进污水处理工艺一样，由纳米材料(即膜)制成的柔性薄组织过滤技术由于其宝贵的性能而成为最科学的方法之一⁵¹。纳米膜技术由于其处理后的水质量，高消毒率，占用较少的植物空间，特别是用于灌溉和农业地区，具有许多优点⁵²。此外，与其他水处理技术相比，它具有非常经济，资源丰富和舒适的设计⁵³。液体掺假物的颗粒过滤是一种新型膜(1000 - 0.0001)，在有机污染材料的化学分解中起着重要作用⁵⁴。纳米材料的一维结构包括纳米管碳纳米管(CNTs)，单壁碳纳米管(SWCNTs)如蜂窝结构，(NR)纳米带(1D, 2D)和纳米纤维(合成聚合物)是这些类型的膜的组成物，由不同的纳米材料组成，在非常关键的阶段被发现潜在的应用在废水处理中⁵⁵。在高压条件下，碳质纳米纤维膜对水中污染物表现出优异的选择性过滤和去除效果⁵⁶。作者报道了使用电纺丝膜运输重金属污染的物质，如砷、镍、镉、铜和铬⁵⁷。此外，作者在表3中列出了各种纳米膜处理掺假水的综述和能力，以及污染物的类型、纳米膜的效率、突出的结果和重要的评论。借助纳米膜微生物⁵⁸、润滑剂⁵⁹,截肢⁶⁰、金属氧化物⁶¹、总悬浮固体^62年,63年以及乳品废水的降解⁶⁴可去除高达90-100%。

表3:用于水中掺假物检测的纳米膜类型

S.N.	Nano-Membranes	核心材料和主要污染物	功效	结果	Ref。
1	纳米复合膜	c-氧化铝和二氧化钛纳米晶 病原体和鸽子	微生物达99%，鸽子达25%	修正pH值可改善离子的消除，病原体可100%去除。	[48]
2	纳米尺度的微观结构	(PBM)聚合物膜 丙烯 除油	99.75%的润滑油	纳滤与浮法的耦合消除了水中油脂的纯度，脱乳化，增强;由于其多孔结构，吸收率和吸附能力高。	[49]
3.	含聚乙烯醇层的聚合物复合膜	大分子膜 用润滑剂处理掺假水	截肢率高达94.9%	碳纳米管与聚合物复合材料的掺入增加了膜的适应性，确定的拉伸强度和韧性，增加的碳纳米管浓度增加了膜通量。	[50]
4	碳纳米纤维膜	纳米粒子和金属氧化物	去除率高达95%	不由自主地精心打造和延展性膜，承受高压过滤，诀窍制造成本效益的纳米棒通过电纺丝	51
5	纳米孔膜过滤	总悬浮固体，总溶解固体，生物污染物，润滑剂，COD, BOD	杂质去除率高达TSS 99%，润滑油去除率80-90%，溶氧量76%，TDS去除率44%;	最有利的情况，饲料温度?450C，流速1.3 m/s，盐浓度11.2 g/L，跨膜压力4 bar, pH值10，处理后的水用于培养。	[52]
6	微滤膜(ZrO2）	(CH3) 2数控(O) H 二甲基甲酰胺的预处理 (DMF)	不透明度99.6%，(TSS)总悬浮物99.98%。	通过超声波清洗、化学清洗和DFM冲洗相结合的方法，可以完成去除TSS细颗粒和回收助熔剂的过程。	[53]
7	纳米纤维膜作为光催化剂	牛奶制品在技术周期中消失了	去除率可达75-95%	将纳米材料(AgTiO2)掺入纳米纤维膜对于光催化降解乳业废水至关重要。	[54]

膜是分离两种或两种以上物质的薄层材料，通常用于过滤、净化或分离不同类型的物质。用作膜的纳米材料包括氧化石墨烯、碳纳米管、纳米多孔陶瓷和聚合物纳米纤维。这些材料已用于各种应用，如水过滤，气体分离和药物输送。综上所述，纳米材料具有体积小、性能独特、选择性高、效率高等特点，具有成为高效膜材料的潜力。

纳米技术与威胁

纳米技术有许多潜在的用途，并取得了迅速的进展。然而，它也有可能在无意中危害人类健康和环境。在体积上无毒的材料在纳米尺度上会变成剧毒的。如果这些颗粒进入食物链或饮用水供应并且不能生物降解，这尤其令人担忧，因为它们在摄入后会导致人类患上各种疾病。皇家环境污染委员会(RCEP)⁶⁵和欧盟⁶⁶根据实验室测试，承认与某些纳米材料相关的潜在风险。然而，关于纳米材料的毒性和健康风险的研究目前是有限的，需要进一步探索⁶⁷。这是一项具有挑战性的任务，因为很难监测正在生产和使用的大量不同纳米颗粒及其后续影响。虽然已经证明了在水处理中使用纳米材料的有效性，但该技术的缺点需要加以审查，因为纳米颗粒可能在制备和处理过程中释放出有害气体或颗粒，这些气体或颗粒具有剧毒，可以积累多年，对健康和环境构成重大风险。

然而，利用纳米材料和薄膜技术进行废水分析也存在一些挑战。例如，这些材料的合成和功能化可能是复杂和耗时的。此外，人们可能会担心这些材料对环境的潜在影响，特别是如果它们被释放到环境中。

健康风险

纳米颗粒的小尺寸使得它们对人类健康有潜在的危害。它们很容易越过门槛，通过人体进入身体的不同部位，如肝脏、肺部，通过皮肤吸收并积聚在器官和组织中，可能导致肺部损伤、癌症和神经系统疾病等健康问题。

伦理问题

纳米技术的使用引发了伦理问题，例如人类增强的潜力、监视和隐私问题。

安全风险

纳米技术也可以用于恶意目的，例如开发新的武器或间谍装置，这可能对国家安全构成威胁。

为了解决这些潜在的威胁，科学家和决策者必须共同努力，为纳米技术的开发和使用制定适当的安全指南和法规。这将确保纳米技术的好处得到最大化，同时将对生物体、生态系统和国家安全的潜在风险降到最低

结论和未来展望

越来越需要先进的水处理技术，以确保提供高质量的饮用水，减轻微污染，并通过实施多功能水处理系统来提高工业生产。纳米颗粒材料，如纳米吸附剂/沸石、纳米金属、光催化剂和纳米膜，有望开发新的水技术，可以很容易地定制，以满足特定的客户需求。然而，在水处理中使用纳米颗粒材料的一个主要技术挑战是，它们通常不适合大规模处理，而且目前与传统处理技术相比在成本上没有竞争力。为了克服这一限制，需要进一步研究开发对环境毒性最小的纳米催化剂，并减少对生物体的健康风险。

需要进一步的工作来重新考虑有毒化学物质对生物有机体的影响(生态毒性)，展望纳米催化剂的所有新适应性和现有的零毒性纳米技术。尽管纳米粒子在未来几十年里在净化掺假水方面具有巨大的创新潜力，但在分散处理系统的功能和权力分配方面，基于位置的设备、尺寸尺寸、成本和高度可降解的污染物对进一步发展起着至关重要的作用。本研究的新发现可归纳为以下几点:

硫化锌纳米材料具有良好的吸附剂作用，对污染物的去除率可达99.99%，包括污染物中的重金属。纳米膜对水体污染物中微生物、病原体和润滑剂的去除率可达100%。

纳米催化剂有助于在三钛酸盐的帮助下去除90%的化合物，特别是染料。

确认

作者要感谢雅格兰湖城大学博爱会一直以来对研究工作的支持和激励。

利益冲突

在“废水分析纳米材料和薄膜技术的探索:综述”这篇研究文章中，作者没有任何利益冲突。

资金来源

作者在研究、撰写和/或发表本文时未获得任何资金支持。

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