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纳米尺度的水处理需要创新的工程学

Ashok Raichur说,制造出一种可用的产品是让纳米技术服务水处理的关键。

快速演化的纳米技术世界吸引了来自从卫生、营养到农业和环境等领域的科学家。特别是许多发展中国家正在研究如何用纳米技术改善获取清洁的水,而在过去的10年中科学家对纳米颗粒水处理进行了许多实验室研究。巴西、中国、印度、沙特阿拉伯和南非全都有研究水处理的专门的纳米技术研究中心。

科学家已经克服了制造纳米颗粒本身的最初挑战。但是有效地利用这些纳米颗粒进行水处理则更加困难。而纳米技术的全部潜力尚未实现。尽管已经有了用于家庭水处理的有前途的应用——例如,来自印度孟买原子中心的科学家在研发碳纳米管水过滤器的问题上正在取得进展——但发展中国家的这类商业产品仍然稀少,特别是那些全球穷人能买得起的产品很少。

然而,纳米尺度颗粒的独特性质让它们特别适于处理水。它们可能有潜力改善诸如吸附、催化和消毒等过程。纳米颗粒通常拥有更强的催化属性。例如,纳米二氧化钛能比传统的微米尺寸的颗粒更好地降解对环境有害的有机分子。类似地,纳米二氧化钛和纳米银是饮用水的更强有力的消毒剂。更重要的是,纳米颗粒可以很容易地设计成制造用于特定用途的专门颗粒。

随着发展中国家的需求增加,利用纳米技术生产清洁而安全的饮用水似乎是一个可行的选项。

但是跨越到商业应用是复杂的,而且对大多数发展中国家仍然是一个遥远的目标。仅仅是大量生产用于工业应用的纳米材料就是一种挑战,而且这可能很昂贵。

对毒性的担忧


纳米材料在处理和使用时也可能产生问题。简而言之,它们的极为微小的尺寸让它们很容易通过空气传播,而且很难控制。而且它们的未知的环境和健康风险意味着它们必须在排水之前完全被清除——从而避免污染环境或食物链。

但是过滤纳米颗粒几乎是不可能的。它们的微小尺寸让它们可以轻易地阻塞过滤介质。考虑到水处理场是以大规模的方式运作,过滤纳米颗粒可能也是一项昂贵的操作,为水处理增加了成本。

存在对进入食物链的纳米颗粒潜在毒性的普遍担忧。我们尚不知道纳米颗粒将如何影响人体。由于其尺寸,纳米颗粒可能通过不同的屏障并到达诸如大脑和心脏等敏感器官,而且它们也很难从人体内清除。纳米毒理学是一个新的研究领域。全世界的科学家正在调查纳米颗粒对各种生命形式的影响。由于这些副作用远远尚未弄清,我们在使用纳米颗粒的时候必须小心谨慎——特别是对于水处理而言。

需要创新的工程学

克服纳米技术水处理的困难意味着需要开发出创新的解决方案从而制造可用的产品。一个答案可能是开发出纳米颗粒不需要悬浮在水中的方法。例如,可以把纳米颗粒粘在(或者说固定在)合适的材料上,例如钢或者聚合物片,而这又可以很容易地把这些作为催化剂或吸附剂的纳米材料放入水箱或取出。

这需要注意保持纳米颗粒的尺寸和完整性,从而保证以纳米尺寸运作的收益。但是如果这能够实现,固定纳米颗粒将是一个好的技术,因为它可以在水处理的过程中和之后让水中没有纳米颗粒。我们这些印度理工学院的科学家正在开发这样一种使用纳米二氧化钛降解有机分子的技术。结果非常有前景,而且我们正在与约翰内斯堡大学密切合作,从而在不远的将来扩展该过程。

除了工程解决方案,纳米技术研究人员还需要和医生以及其他科学家合作,从而全面理解纳米技术的有毒效应及它们在环境中的命运。

目前的需要,特别是目前发展中国家的需要,是开发新材料从而有效地生产清洁的饮用水。但是更大的挑战在于开发出创新的方法,利用纳米材料的新特性在最大程度上造福人类而不会损害环境。

Ashok Raichur是印度班加罗尔的印度理工学院材料工程系的副教授。