《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Adsorptive nanomaterials for multi-contaminant removal from water
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纳米材料在水处理中表现出高效吸附能力，如PVP-RGO对铜离子吸附达1698 mg/g，MOFs对甲基蓝吸附1666 mg/g，但存在再生难、成本高、生物毒性等问题。研究对比了碳基、聚合物、生物启发及复合纳米材料的吸附机理与效率，指出π-π作用、离子交换和表面络合是主要机制，并强调需开发绿色合成技术、多功能纳米材料以实现规模化可持续应用。
Koffi Sossou|Alfred O. Mayabi|Charles K. Cheruiyot|Zeraebruk Kahsay Negusse
肯尼亚泛非大学基础科学、创新与技术研究所（PAUSTI-JKUAT）土木工程系，邮编62000-00200
摘要
水污染在全球范围内对环境和公共健康构成了严重威胁。近年来，纳米材料作为一种高效的吸附剂，被广泛应用于处理多种污染物废水。据报道，对于重金属、染料、农药和药物等污染物，其去除效率可高达99%。例如，吡咯烷酮还原氧化石墨烯（PVP-RGO）对铜离子的吸附能力达到1698毫克/克，而壳聚糖-沸石复合材料对磷酸盐和重金属的去除率超过85%。纳米材料的表面性质和官能团对其吸附性能有显著影响。主要的去除机制包括π-π相互作用、离子交换和表面络合。比较分析表明，金属有机框架（MOFs）具有极高的吸附能力，例如对亚甲蓝的吸附能力可达1666毫克/克。然而，它们的水解不稳定性和有限的重复使用性限制了其大规模应用。本文批判性地评估了基于碳的材料、聚合物材料、仿生材料和混合纳米材料的吸附效率、再生能力和实际应用限制，并讨论了包括可扩展性、潜在毒性和在实际废水条件下的变异性在内的主要挑战。最后，本文提出了未来的研究方向，强调绿色合成路线、多功能纳米材料以及与循环经济原则的结合，以实现可持续且可实际应用的废水处理技术。
引言
水污染已成为一个紧迫的全球性问题，对人类健康和环境构成了严重威胁。通过采矿、工业排放和核燃料循环操作等人造活动，各种污染物（包括放射性元素、重金属、有机化合物、染料和病原体）进入水源（?enol等人，2025年）。由于这些污染物的溶解性和流动性，它们在水生系统中广泛传播，对生态系统造成破坏，并引发霍乱、伤寒、肝炎、癌症、基因突变和器官损伤等严重健康问题。海洋食品中的毒素生物累积也导致了慢性健康问题，如神经系统疾病、肾脏损伤和骨质疏松症（Vijayanand等人，2023年；Chaudhury等人，2022年）。这些污染物在生物组织中积累，辛醇-水分配系数（log Kow）可以描述其生物累积潜力：log Kow < 3的化合物生物累积潜力较低，3到4之间的化合物具有中等生物累积性，而log Kow > 4的化合物则具有高度生物累积性（Nendza等人，2025年；Nam等人，2014年；Dhillon等人，2015年；Chang等人，2015年）。已经开发了多种水处理技术来减少或去除污染物，以确保人们能够获得清洁的水。虽然高级氧化过程（AOPs）、纳滤和反渗透（RO）等先进方法有效，但通常无法完全去除多种污染物。然而，这些方法的高运行成本和产生的污泥会导致二次污染（Sossou等人，2024年）。物理化学方法（如絮凝和混凝）也有限效性，尤其是在处理药物、个人护理产品（PPCPs）和内分泌干扰化合物（EDCs）方面（Katrivesis等人，2019年；Grassi等人，2012年）。水资源短缺进一步加剧了这一挑战。图1展示了20世纪各地区的水资源趋势，表明北非、南亚和中东等地区已经达到临界阈值，而其他地区则迅速接近严重短缺（Kummu等人，2016年）。这些趋势凸显了开发可持续且具有成本效益的处理策略的必要性。如果得到适当处理，废水可以在解决水资源短缺问题中发挥关键作用，同时需遵循健康考虑（De Silva等人，2025年；Kümmerer等人，2009年）。
在各种处理策略中，吸附作为一种经济高效的方法，因能够最大化去除效率并产生安全的水而受到广泛关注。吸附过程涉及将离子或分子附着在吸附材料表面（?enol等人，2025年）。包括生物炭、粘土矿物和合成聚合物在内的多种材料因其吸附能力而被广泛研究（Ci?ero?lu等人，2024年；Gao等人，2021年）。生物炭具有多孔结构和表面官能团。粘土（如膨润土和高岭石）具有很强的阳离子交换能力（Abd-ElFattah等人，2025年），而聚合物可以通过功能化实现选择性去除。生物衍生材料（BMs），包括藻类、真菌、农业残留物和微生物生物质，在去除染料方面也显示出潜力（?enol等人，2024年；Bayat等人，2023年）。活性炭由于其高表面积、微孔结构和强吸附能力，仍然是最常用的吸附剂，能够有效去除水和气体中的有机和无机污染物（Ullah等人，2024年；Okoro等人，2018年）。它在环境修复、食品加工和制药等多个行业中发挥着重要作用。然而，其高昂的成本和再生要求限制了其大规模应用。对传统吸附剂的比较分析揭示了它们的优势和局限性：活性炭具有优异的吸附性能，但成本高昂且难以再生；生物炭成本低廉且可再生，但效率较低；粘土资源丰富且具有强阳离子交换能力，但再生效果不佳；生物衍生材料具有可持续性，但面临可扩展性挑战。功能化聚合物和混合复合材料的最新进展提高了选择性和稳定性，尽管高生产成本仍是一个障碍（Mohan等人，2025年；Mohan和Virender，2024年；Mohan等人，2023年）。这些缺点表明，没有一种传统吸附剂能够提供全面的解决方案，因此需要基于纳米材料的新策略作为低成本、高性能的替代方案。
纳米材料具有独特的物理化学性质，包括大表面积、可调的表面化学性质、高反应性和在多种环境条件下的稳定性（Kaynar等人，2023年）。它们的化学组成和孔结构决定了吸附效率，使其能够去除多种污染物。
本综述重点介绍了纳米材料在水处理中的新兴应用，包括吸附机制、污染物去除效率、再生策略以及可持续部署的潜力。与以往主要关注单一污染物的研究不同，本综述强调了多污染物去除，并综合了最新的技术进展，同时比较了不同类型纳米材料的性能。此外，还讨论了与再生、可扩展性和安全性相关的挑战，并概述了推进基于纳米材料的水净化技术的未来方向。通过整合最新发展，本研究为可持续水资源管理和纳米技术驱动的修复策略做出了及时贡献。
参考文献选择标准和分析方法
本研究回顾的文献来自主要的科学数据库，包括ScienceDirect、Web of Science、Scopus和Google Scholar。优先选择了过去十年内发表的经过同行评审的期刊文章，以确保纳入基于纳米材料的水处理技术的最新进展。搜索策略使用了诸如纳米材料、吸附、水和废水处理、重金属、染料、金属-有机等关键词的组合。
纳米材料的合成技术
纳米材料的设计和合成决定了其尺寸、孔隙率、表面化学性质，最终决定了其在水处理中的有效性。合成方法通常分为自上而下（例如球磨、激光烧蚀）和自下而上（例如溶胶-凝胶、水热法、共沉淀、化学气相沉积）两种技术。虽然自上而下的方法较为直接，但往往会产生粒径范围广泛且对表面性质的控制有限。工作原理
纳米材料去除污染物的过程遵循几个基本原理，这些原理决定了它们在水处理中的工作方式。吸附是最主要的原理，污染物通过物理或化学作用附着在纳米材料表面（Ray等人，2020年）。离子交换是另一种关键途径，其中污染物离子取代了吸附剂（如沸石、粘土和功能化聚合物）上天然存在的反离子。一些纳米材料在水处理中的分类和效率
由于纳米材料具有独特的物理化学性质，包括高表面积、增强的反应性和可调的表面功能，因此在水净化中受到了广泛关注。几类纳米材料，如金属氧化物、基于碳的纳米结构、基于聚合物的纳米复合材料和仿生纳米复合材料，因其去除污染物的能力而被广泛研究。结论与未来展望
本综述表明，纳米材料在水净化中的有效性受到材料结构、表面化学性质和污染物类型之间协同作用的影响。基于碳的纳米材料（如氧化石墨烯及其复合材料）通过π-π相互作用和静电吸引作用，能够持续实现超过90%的染料和重金属去除效率。金属有机框架（MOFs）表现出极高的吸附能力。
未引用的参考文献
Ahmed和Mohamed，2023年；Chen等人，2023a；Falyouna等人，2020年；Gao等人，2021a；Gao等人，2021b；Kümmerer，2009年；De Letras，2005年；Wang等人，2017a；Wang等人，2017b；Wang等人，2017c。CRediT作者贡献声明
Koffi Sossou：撰写——初稿、方法论、概念构建。Alfred O. Mayabi：撰写——审稿与编辑、验证、监督。Charles K. Cheruiyot：撰写——审稿与编辑、验证、监督、正式分析。Zeraebruk Kahsay Negusse：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
