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纳米材料在饮用水净化中的潜在作用及净水方面的创新

日期:2019-09-17    来源:净水技术

国际节能环保网

2019
09/17
11:32
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关键词: 饮用水净化 纳米材料 水源净化

   清洁的水对生命至关重要;它不仅需要饮用,还需要进行食物制备,加工和卫生。不幸的是,世界上超过百分之五十的人口主要来自中国和印度,他们面临严重的水资源短缺问题。每年大约有18亿人不可避免地从有粪便污染的水源中饮用水,导致约有一百万儿童死亡。
  纳米材料在饮用水净化中的潜在作用及净水方面的创新
  科学家正在开发各种经济技术来净化水质。基于纳米材料的技术为水的净化和去污提供了一种经济有效的选择。本综述讨论了纳米材料在饮用水净化中的潜在作用。纳米材料可在全球范围内使用,由于纳米材料对水生病原体和主要关注的寄生虫如志贺氏痢疾杆菌,霍乱弧菌和溶组织内阿米巴(Entamoeba histolytica)表现出显着的抗菌和抗寄生虫活性,能够有效去除水中的有机和无机污染物。纳米材料还具有从污染水中吸收汞和染料等有毒化学物质的能力。
  但是,为了使该技术成功商业化,需要充分解决一些固有的瓶颈问题。这些问题包括纳米粒子聚集,它们渗入饮用水,对人类健康和环境的造成不利影响。目前正在开发纳米复合材料并将两种或更多种所需的性质结合用于水净化以克服这些问题。纳米材料在水净化方面的广泛和大规模应用可能很快就会成为现实。包含用于水净化的Karofi,Lifestraw和Tupperware等纳米材料的产品已在市场上出售。
  纳米材料在饮用水净化中的潜在作用及净水方面的创新
  (i)水中悬浮固体:总固体或总悬浮固体(TSS)由细颗粒物组成,包括各种不溶性物质,如淤泥、腐烂的动植物材料、粘土、沙子和灰尘。
  (ii) 水生病原体:焦磷酸测序方法表明,地下水可能包含变形杆菌门、拟杆菌门、蓝藻门和厚壁菌门。甚至经氯化消毒的水也含有蓝藻、甲藻科、鞘膜藻科和黄瘤藻科的细菌。饮用水分配系统往往存在微生物生物膜形成的问题,而在较老的分配系统中,微生物生物膜的形成更为严重。这些生物膜的微生物群落主要包括变形杆菌、放线菌和厚壁菌门。除了这些微生物,令人关注的病原体有时可能会进入饮用水,使消费者处于危险之中。这些病原体包括肠内微生物或机会性病原体,可引起免疫功能低下患者的疾病。常见的与水有关的病原菌有霍乱弧菌、嗜肺军团菌、沙门氏菌、志贺菌、大肠杆菌和耶尔西尼亚。除了与水有关的传统病原体外,许多新出现的病原体也正成为一个重要的健康问题。这些包括以前已知的以霍乱弧菌O139和大肠杆菌(大肠杆菌O157:H7)为例的新菌株或血清型病原体。其他包括对抗菌药物产生耐药性的菌株,如耐氯的隐孢子虫和耐多药铜绿假单胞菌。除了这些生物体外,原生动物微孢子虫、膀胱异孢菌和各种病毒,如腺病毒和细小病毒,也成为潜在的水生病原体。
  (iii)饮用水中的化学污染物:这些污染物可以是水溶性的或不溶的,有机或无机的,其中一些化学物质可能会对健康产生轻微影响,而其他化学物质可能会危及生命。据估计,在水中发现了超过700种不同类型的化学物质,属于20个不同的类别。这些物质的来源可以是自然的,也可以是合成的,可以是自然进入水中的,也可以是人为活动造成的。其他农业化学品如杀虫剂、水中高浓度的氟化物、一些重金属如砷铬和汞、其他金属如硒和铀、多氯联苯和多溴二苯醚等卤代芳香族化合物和内分泌干扰物也会污染水。
  纳米工程材料在净水方面的创新
  就纳米材料在滤水膜中的应用而言,纳米基膜比传统膜具有许多优点,例如提高的过滤效率(美国专利; US5800706A),从水中吸收各种毒物的能力和机械强度等。纳米膜最重要的优点之一是其抗菌活性。这些材料通过以下几种机制发挥其杀微生物活性:(i)细胞膜破坏,(ii)代谢扰动,如嘌呤代谢(iii)蛋白质变性和DNA损伤(iv)呼吸链破坏(v)活性氧(ROS)产生和氧化应激,(vi)诱变,(vii)DNA结合和DNA复制的抑制,纳米材料的抗菌活性及其作用方式也取决于它们的大小和形状。
  钛纳米材料由于显着的光催化活性,显着的抗微生物活性和使用浓度下的无毒性质等被广泛用于水净化。且对分枝杆菌、沙门氏菌和志贺菌等细菌,以及溶组织性内阿米巴原虫和十二指肠贾第鞭毛虫等原生动物有杀菌作用。除此之外,锌、银、铁纳米颗粒都可以用来净化水。
  纳米复合材料是具有多个相域的材料,其中至少有一个具有纳米结构。由于这些材料是由多相域组成的,所以这些材料可以结合两种或两种以上不同材料的优点,因此更适合于净水。如纳米滤膜、纳米吸附剂、纳米纤维膜等。
  挑战
  (A)安全问题: 这些纳米材料的毒性研究大多基于体外研究(细胞系),很少有基于体内研究的报道,明智的并且可持续地使用纳米材料,需要仔细评估和调控这些纳米材料。应计算个人在饮用这些水时将接触到的纳米材料的实际剂量。还应仔细监测纳米材料的积累及其在饮用水中的浸出。
  (B)经济可行性:由于发展中国家和不发达国家的水资源短缺问题更为严重,因此,发展负担得起的技术是非常重要的。科学界已经在致力于降低这项技术的成本。新加坡南洋理工大学的Nano Sun开发了一种滤膜,其过滤能力是传统膜的10倍,这使得该工艺的效率和经济效益提高了10倍。此外,该膜还具有杀微生物和抗生物污损特性并且耐破损。因此,这种膜的开发可以使过滤非常经济,并且有望彻底改变基于膜的水净化系统。
  (C)操作上的问题:处理后应将水中纳米材料移至可接受的限度以下。这就要求在处理过的水中尽量减少纳米材料的混合或浸出。随着时间的推移,由于微生物特别是病原体生物膜的形成,涂有纳米材料的净水器可能逐渐失效。个人用净水器和大型社区用净水器的开发应根据适当的配水系统的需求和可用性而定。
  (D)法律约束和规定:为了纳米材料产业的可持续发展和消费者的安全,有必要严格规范纳米材料的使用,尤其是在食品、医药和水方面。
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