水，是生命之源。随着经济不断发展，水污染日益加剧，水资源逐渐承受着无法承受之。以安全可靠和廉价的方式来提供清洁的水资源，成为了21世纪最大的挑战之一。而纳米材料及纳米技术，在水净化领域表现出巨大的潜力，包括过滤、氧化过程中的催化、水质监测等等。
有鉴于此，Nature Nanotechnology推出纳米技术在水净化研究领域的专刊，涵盖了技术发展、大众认知、潜在风险以及工业需求等多重考虑。
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. 纳米技术提高水安全性
通过尺寸，形貌和化学结构的控制，可以实现纳米材料催化、吸附、光学、量子、电学和/或抗菌性能的优化，从而能够提高水处理效率。譬如：
1）纳米技术可以增强吸附剂和光催化剂的选择性，以减轻干扰化合物的阻碍并提高效率；
2）基于纳米膜的分离和脱盐技术可能将继续成为水处理的关键工具；
3） 纳米技术将有助于克服操作障碍，如结垢和分离特定离子或分子的选择性差。通过纳米级接枝或掺杂防止结垢可以提高膜的性能和可靠性，而使用纳米通道可以设计高选择性的脱盐膜。
图1.1 纳米技术增强水处理的优先顺序和过程
Pedro J. J. Alvarez等人讨论了工程纳米材料在水处理和再利用中应用的新机遇和可持续方法，并对潜在开发和实施的障碍以及克服的需求进行探讨。
工程纳米材料为下一代多功能分布式处理系统提供支持，这种系统相对较小且易于部署。工程纳米材料能实现多种功能的集成，如吸附、催化降解和消毒的组合，同时去除大量不同的污染物，或者以前所未有的高选择性去除特定污染物，并帮助将处理后的水质与预期用途相匹配（如居家饮用、景观灌溉或工业冷却）。
图1.2 纳米技术的水处理膜
图1.3 多功能纳米粒子
图1.4 太阳能直接驱动的蒸发和蒸馏过程
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. 纳米催化材料用于氧化水处理
高级氧化工艺（AOP）可以有效降解有机污染物，而不是简单地将它们从水中转移出来。AOP的关键在于非均相催化剂的使用，纳米催化材料的最新进展为AOP带来了新的希望。
Jae-Hong Kim课题组客观地评估了大量的AOP工艺，这些AOP依赖于工程纳米材料非均相催化剂来促进污染物降解。据此，作者提出了当前AOP的局限性和改进方式，指出了未来的研究应该旨在提高催化剂的性能，同时应考虑在水处理中实际工程纳米材料实施的障碍。
图2.1 分散水处理中的高级氧化
图2.2 基于工程纳米材料的过氧AOP
图2.3 基于工程纳米材料的光催化AOP
图2.4 基于工程纳米材料的电化学AOP
图2.5 基于工程纳米材料的AOP在水处理中面临的挑战和前景
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.用于水质监测的纳米传感器
纳米材料的设计可以实现高效、多功能、高灵活性的传感应用。PeterJ. Vikesland 总结了用于水质监测的纳米技术传感器的现状，讨论了水监测领域内纳米传感器应用的潜在重点方向，分析了纳米技术传感器如何具有更好的应用价值，为饮用水中的化学物质、微生物和其他分析物提供广泛且潜在的低成本监测。
图3.1 代表性的光学、电学、磁学和机械学的纳米传感器平台
图3.2 物联网-启用水感应
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.纳米颗粒在饮用水中的健康风险评估
河流、湖泊、海洋和地下水中的天然纳米颗粒早于人类而存在，但随着人们监管和污染问题日益严重，工程纳米颗粒正在成为潜在的污染物。
新技术不应造成更多的损害。出于这个原因，PaulWesterhoff等人概述了当前纳米材料本身对饮用水质量的潜在风险。令人欣慰的是，迄今为止的证据表明这种风险水平非常低。虽然如此，我们依然必须坚持高水平评估，以防纳米材料生产的未来增长以及未来技术可能无法预见的危害。
图4.1 在地表、海洋和地下水中的粒度和数量浓度分布
研究人员对比了在地表水和自来水中的天然纳米颗粒（如，二维粘土，多功能病毒和金属氧化物）和工程纳米颗粒的来源、成分和潜在发生情况，结构表明，目前在流入饮用水处理厂的水域中工程纳米颗粒比天然纳米颗粒数量低几个数量级。水厂在专门去除小型天然纳米颗粒的同时，顺便也很好地去除了工程纳米颗粒。因此，自来水中的工程纳米颗粒浓度极低。但在离开饮用水处理厂之后，从分配管或室内管道中释放的腐蚀副产物可以将偶然的纳米颗粒释放到自来水中。因此，偶然纳米粒子的产生和毒性应成为未来研究的焦点。
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.纳米技术在工业水处理中的作用
纳米技术有可能使工业上的水处理更有效、更便宜，但现在还为时尚早。纳米材料和纳米技术的商业之路任重道远，在大规模生产之前需要开发整个新的制造生态系统，工艺规模最终是工业水处理的主要挑战。
工业过程消耗大量水，并产生大量废水。因此，纳米技术的水处理过程必须是具有可扩展的，才具有工业可行性。纳米材料的可扩展性仍然是其实施中的主要挑战。只有人们广泛接受，这项技术才能成功运用。
作者认为，学术界必须致力于解决工业需求，而不是开发技术，然后找到适合它的应用。工业水处理有特定的需求，如果研究人员和最终用户能够合作开发明确问题的解决方案，将使全人类受益。
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.消费者的担忧是否会妨碍水处理纳米技术的发展？
初步研究表明，消费者对纳米材料在水处理方面的担忧，并没有制造商想象的那么高。公众认知本身并不是纳米技术水处理的障碍，而是行业必须保持诚实和透明的信息水平。
只要尽可能负责任地进行技术开发和使用，消费者基本都能接受。制造商需要做的，就是继续专注于建立消费者对其产品安全性的信心，以加强消费者信心的方式开发产品，这样才能促进整个行业的发展。
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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