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用于净水的纳米技术:事实和数字

纳米技术可以帮助为数以百万计的人们提供清洁的饮用水。David J. Grimshaw概述了它的潜力、进展以及一些风险
 
长久以来,技术对于提供清洁的饮用水和灌溉粮食作物都很重要。事实上,人们拥有水技术已经有数千年的历史——罗马人在公元前300年左右利用引水渠作为饮用水的输送渠道。但是让全球的穷人能够获取和负担得起现代技术是一个令人生畏的任务。纳米技术能比以前的技术有更好的表现吗?
 
水是一种稀缺资源,而且对于许多国家而言——特别是那些中东国家——水供应已经落后于需求了。再加上气候变化和人口增长的压力,水将变得更加稀缺,特别是在发展中地区。此外,在这些地区,能获得的水常常不能安全饮用(见 表1)。
 
8.84亿人
无法获取安全的水源——大约全世界每8人中就有1人
6千米
是非洲和亚洲妇女步行取水的平均距离
360万人
每年死于和水有关的疾病
98%
的和水有关的死亡发生在发展中国家
84%
的和水有关的死亡出现在0-14岁的儿童身上。
43%
的和水有关的死亡是由于腹泻
6500万人
在孟加拉国、印度和尼泊尔地区面临砷中毒的风险

表1:关于水的重要事实[1]

 
确保所有人获取清洁的饮用水的任务如今写入了联合国的千年发展目标,它的目标是到2015年将不能可持续获得安全饮用水的人的比例减半。根据世界水评估项目,这意味着改善15亿人的供水。[2]
 
但是如何实现这一目标?经济或技术常常驱动着为贫困社区提供水的手段。经济途径可能通常把重点放在管理规定、制度和开放市场的重要性上。而技术手段可能把重点放在设计水泵、过滤系统或新的应用方面,例如纳米技术的新应用。
 
纳米技术的潜力
 

与常常直接源自特定科学学科的其他技术不同,纳米技术横跨一大批科学领域。在本质上,它是由其运作的尺度定义的。纳米科学和纳米技术涉及到在甚小的尺度上研究和利用物质。1纳米是一百万分之一毫米,人的一根头发直径大约是8万纳米。[3]我们很难设想这种尺度,但是如果太阳和地球之间的距离是1米,那么1纳米就是一个足球场的长度。

纳米尺度涉及到我们可以操纵的物质的最小部分。在纳米尺度上运作让原子和分子组装成准确的规格变得更加容易。就像用乐高积木建造一个模型,我们可以设想制造出新材料或修改现有材料。在水过滤这样的应用中,这意味着可以对材料加以修改或调整,用于过滤重金属和生物毒素。

纳米尺度上的材料常常具有和微尺度或宏观尺度上的同样材料不同的光学或电学性质。例如,纳米二氧化钛是比微尺度的二氧化钛更有效的催化剂。而且它可以在水处理中用于降解有机污染。但是在其他情况下,制造出的纳米颗粒的小尺寸可能让这种材料比平常具有更大的毒性。
 

Nanotechnology can solve the technical challenge of removing salt from water

UCLA Engineering

 
纳米技术可能帮助缓解水问题的主要方式是解决消除水污染的技术挑战,这些污染物包括细菌、病毒、砷、汞、杀虫剂和盐。
 
许多科学家和工程师声称纳米技术提供了更廉价、有效、高效和持久的实现这一目标的方式——特别是由于在水处理中使用纳米颗粒将让生产变得比传统方式的污染更少,而且需要更少的劳动力、资本、土地和能源。[4]
 
过去的新技术也是这样声称的。然而,如果我们可以开发出新的商业模型,让我们利用纳米技术可持续地解决在当地社区参与下发现的现实问题,我们就可能有理由感到乐观。
 
迄今为止的进展
 
一批利用了纳米技术的水处理装置已经上市了,而其他一些装置或者已经接近市场发布,或者正在开发过程中。
 
纳米过滤膜已经广泛应用于去除溶解的盐和微污染物质、软化水和处理污水。这种膜就像一个物理屏障,捕获大于它们的孔的颗粒和微生物,并选择性地排斥物质。纳米技术被认为可以进一步改善膜技术,而且还能降低脱盐(从咸水中获得淡水)的过高成本。
 
科学家正在开发新类型的纳米多孔物质,它们比常规过滤器的效率更高。例如,南非的一项研究表明纳米过滤膜可以用含盐地下水产生安全的饮用水。[6]而一组印度和美国科学家开发出了碳纳米管过滤器,它能够比常规膜过滤器更有效地去除细菌和病毒。[7]
 
自然产生的凹凸棒石粘土和沸石也应用在了纳米过滤器中。全世界的许多地方可以在当地获得这些材料,而且它们天生就具有纳米尺寸的孔。利用凹凸棒石粘土膜过滤阿尔及利亚一家牛奶厂废水的一项研究表明,它们可以经济而有效地减少废水中的乳清和其他有机物,让它能更安全地饮用。[8]
 
沸石也可以人造。它们可以用于从水中分离有害有机物和去除重金属离子。来自澳大利亚联邦科学与研究组织的科学家制造出了一种低成本的合成粘土铝碳酸镁,它可以吸附砷,把砷从水中去除。[9]他们提出了为低收入社区生产的这种产品的一种新包装——一种“茶袋”,可以把它在家庭水源中浸泡大约15分钟,之后再饮用。而把使用过的“茶袋”再卖给当局可能增加循环利用,而且有助于浓缩的砷的废物处理。
 
纳米催化剂、磁体和探测器
 
纳米催化剂和磁性纳米颗粒是纳米技术如何让严重污染的水适于饮用、卫生设施和灌溉的另外几个例子。纳米催化剂的更好的催化属性归功于它们的纳米尺寸,或者是由于在纳米尺度上的改造。它们可以化学降解污染物(包括现有技术不能有效处理或处理成本过高的污染物),而不是简单地把它们搬运到其他地方。印度班加罗尔的印度理工学院的科学家已经利用纳米二氧化钛实现了这个目的(见 '纳米尺度的水处理需要创新的工程学')。
 
磁性纳米颗粒相对其体积而言拥有很大的表面积,而且可以轻易地与化学物质结合。在水处理应用中,它们可以用于与污染物——诸如砷或者油——结合,然后利用磁场把它们清除。几家公司正在把这些技术商业化,而科学家正在这一领域频繁公布新的发现。
 

Nanorust and arsenic

CBEN/Rice University

 
例如,美国赖斯大学的科学家正在利用磁性“纳米锈”(nanorust)去除饮用水中的砷。[10]纳米锈很大的表面积意味着它能捕获的砷是更大尺寸的同类物质的100倍。该研究组估计200-500毫克的纳米锈可以处理1升水。而且该研究组正在开发一种利用廉价的家用材料制造纳米锈的方法。这可能显著减少生产成本,让它成为适用于各个发展中国家社区的产品。
 
除了水处理,纳米技术还能够探测水传播的污染。科学家正在开发新的传感器技术,它结合了微加工和纳米加工,从而制造出小型、可携带且精确度高的传感器,可以探测水中单个细胞的化学和生物化学物质。[11]几个研究共同体正在对这类装置进行实地测试,而且一些装置有望很快商品化。例如,美国宾夕法尼亚州立大学的一个研究组已经开发出了一种利用硅片上的纳米导线探测水中的砷的方法。[12]
 
发展中国家的纳米研究
 
由于诸如欧洲和美国等发达地区的政府继续把它们认为将支撑经济增长的技术视为优先事项,这些地区的纳米技术研究开支非常高。而中国等中度发展国家也正在大力投资(见 图1)
 
图1:纳米技术的研究开支[13,14]

图1:纳米技术的研究开支[13,14]

 
南非已经通过2006年发布的国家纳米技术战略发展了重要的纳米技术能力。[15]例如,它已经在该国的科学理事会中的两个建立了纳米科学创新中心。其中一个中心把一个重点放在水的纳米科学上。研究的推动力在很大程度上是为了解决当地问题。例如,Stellenbosch大学正在研究过滤水的纳米膜。
 
印度也对纳米技术大力投资——尽管其数字很难核实,这部分是由于投资常常是政府和私营部门之间的合作关系。
 
而其他发展中国家也日益认识到了需要支持纳米科学,包括研究如何用纳米技术帮助提供清洁的水。巴西、古巴、沙特阿拉伯和斯里兰卡全都开设了研究这一问题的纳米科学中心。发展中国家科学家注册的纳米创新的专利数量正在迅速增长。
 
发展中国家的进展
 
一些有趣的产品如今正在发展中国家出现,而正在其他地方开发的一些产品与发展中国家的需求高度相关(见 表2)。
 
 
产品
如何运作
重要性
开发者
收集雨水的纳米海绵
 
结合了聚合物和玻璃纳米颗粒,可以印刷在织物等材料的表面从而吸收水
收集雨水对于中国、尼泊尔和泰国等国家正在变得越来越重要。这种纳米海绵比传统的集雨网更有效
除砷的纳米锈
 
悬浮在水中的氧化铁磁性纳米颗粒与砷结合,然后用磁体把它们去除
印度、孟加拉国和其他发展中国家每年遭遇数以千例的砷中毒,这与被污染的水井有关

美国赖斯大学

脱盐膜
 
结合了聚合物和纳米颗粒,能吸引水并排斥溶解的盐
已经上市,这种膜让脱盐的能源成本比逆渗透技术更低

加州大学洛杉矶分校 和NanoH2O

纳米过滤膜
由聚合物制成的膜,上面有直径在0.1到10nm的孔
在中国进行了处理饮用水的实地测试,在伊朗进行了海水淡化测试,使用这种膜需要的能源少于逆渗透技术
Nanomesh waterstick
像麦杆一样的过滤装置,它利用放置在柔性、多孔材料上的碳纳米管
这种“水秆”在你饮水的时候进行清洁作用。非洲的医生正在使用一种原型产品,而最终产品将在发展中国家以廉价供应
World filter
利用纳米纤维层过滤,该层是由聚合物、树脂、陶瓷和其他物质组成的,可以去除污染
专门为发展中国家的家庭或社区层次使用而设计。这种过滤器高效、易用,而且不需要维护

美国KX Industries

虫剂过滤器
 
利用纳米银吸收并降解印度水源中常见的3种杀虫剂的过滤器
杀虫剂常见于发展中国家的水源。这种杀虫剂过滤器可以在1年的时间里为一个典型的印度家庭提供6000升水。
 
 
 

表2:与寻求改善水源的发展中国家有关的纳米产品[10, 16–19]

 
风险和机遇
 
对基于纳米技术的水处理的未来市场的任何评估都必须既考虑到风险,又考虑到机遇。
 
一些科学家认为对纳米技术的伦理、法律、社会影响的研究正落在这门科学的后面。[20]他们提到这类问题在文献中的引用数量低,而且还提到了一个事实,即:至少是在美国,没有使用所有可用的研究资助。例如,美国国家纳米技术项目为研究纳米技术的更广泛的社会影响分配了1600万到2800万美元——但是只用了这个数量的不到一半。
 
而发展中国家一般更低的科学能力意味着对纳米技术的伦理和风险进行有效管理很可能将落后于发达国家。然而有迹象表明利用纳米技术净水的伦理问题正在得到讨论。
 
一些科学家呼吁对利用纳米技术进行水处理的潜在健康和环境风险进行更多的研究。[6]例如,有人担忧纳米颗粒增强的活性让它们具有更大的毒性。它们的小尺寸也意味着它们可能很难控制,因此也就可能更容易地逃逸到环境中,并可能破坏水生生物。接触纳米材料的全面影响——从在水处理厂操作它们或饮用了经过处理的水中的纳米材料——目前是未知的。
 
但是我们可以在风险评估方面区分主动和被动的纳米颗粒。被动颗粒——例如一个涂层——很可能和其他生产过程带来的风险差不多。[21]但是可以在环境中运动的主动纳米颗粒可能导致与控制和防泄露有关的风险。
 
那么纳米技术确实可以帮助解决发展中国家的水问题吗?有两个积极迹象表明它们可以。首先,水专业人士和科学家正在越来越多地让当地社区加入对话,从而理解应用纳米技术改善水的问题和机遇。
 
第二,由于纳米技术的商业化还处于早期阶段,我们能够希望在科学家、社区和产业界之间的这种讨论将鼓励科学家和行业制订出合适的商业模型,从而利用他们的创新。
 
David J. Grimshaw是实践行动组织的新技术国际项目的负责人,也是本网站的新技术顾问。

References

[1] Prüss-Üstün, A., Bos, R., Gore, F. et al. Safer water, better health: Costs, benefits and sustainability of interventions to protect and promote health..WHO, Geneva (2008)

[2] The Millennium Development Goals and water. World Water Assessment Programme

[3] The Royal Society and The Royal Academy of Engineering. Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. Royal Society (2004)

[4] Nanotechnology, commodities and development. Meridian Institute background paper (2007)

[5] Grimshaw, D.J., Gudza, L.D. and Stilgoe, J. How can nanotechnologies fulfill the needs of developing countries? In: Savage, N., Diallo, M., Duncan, J. et al (eds.) Nanotechnology Applications for Clean Water. William Andrew: Norwich NY (2009)

[6] Hillie, T. and Hlophe,M. Nanotechnology and the challenge of clean water. Nature Nanotechnology 2 (2007)

[7] Efficient filters produced from carbon nanotubes through Rensselaer Polytechnic Institute-Banaras Hindu University collaborative research. Rensselaer (2004)

[8] Khider, K., Akretche, D.E. and Larbot, A. Purification of water effluent from a milk factory by ultrafiltration using Algerian clay support. Desalination 167 (2004)

[9] Gillman, G.P. A simple technology for arsenic removal from drinking water using hydrotalcite. Science of the Total Environment 336 (2006)

[10] Yavuz, C.T., Mayo, J.T., Yu, W.W. et al. Low-field magnetic separation of monodisperse Fe3O4 nanocrystals. Science 10 (2006)

[11] Hille, T., Munasinghe, M., Hlope, M. et al. Nanotechnology, water and development. Meridian Institute (2006)

[12] Patel, P. Nanosensors made easy. Technology Review (2009)

[13] US National Nanotechnology Initiative

[14] Claassens, C.H. Nanotechnology in South Africa. Nano 7 (2008)

[15] The National Nanotechnology Strategy. Department of Science and Technology, South Africa

[16] Nanotechnology pesticide filter debuts in India. Nanowerk (2007)

[17] Brown, S. Water, water everywhere. ScienceNOW Daily News (2006)

[18] Abraham, M. Today's seawater is tomorrow's drinking water: UCLA engineers develop revolutionary nanotech water desalination membrane. UCLA Newsroom (2006)

[19] Overview and comparison of conventional water treatment technologies and nano-based treatment technologies. Meridian Institute. (2006)

[20] Mnyusiwalla, A., Daar, A.S. and Singer, P.A. Mind the gap: science and ethics in nanotechnology. Nanotechnology 14 (2003)

[21] French, A. Nanotechnology: New Opportunities, New Risks. B 6 The Benfield Group (2004)