龐子君 覃 智 陳啊聰 關(guān)翔鴻 韋庚銳 李澤敏 黃 華 韋朝海

（華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣州 510006）

材料功能及其工程學(xué)的介入可能帶來水處理環(huán)境工程學(xué)在濃度場、電子場和粒度場等方面科學(xué)認(rèn)識的突破，表現(xiàn)為傳遞［1］、反應(yīng)［2］和分離［3］等新功能的釋放。這些材料以其獨特的性質(zhì)，如界面功能、吸附功能、催化功能、導(dǎo)電功能、張力功能、緩沖功能、吸收功能、過濾功能和記憶功能等，為水處理領(lǐng)域提供了新技術(shù)的可能性［4-7］。材料的應(yīng)用主要發(fā)揮2 種關(guān)鍵作用：污染物的分離與轉(zhuǎn)化。污染物的分離過程是指通過物理或化學(xué)手段，將污廢水中的污染物與水進(jìn)行分離，獲得清潔的水和可資源化的化學(xué)品，包括吸附、過濾、膜分離和電化學(xué)沉積等方法［5-6］；轉(zhuǎn)化是指將污廢水中的有害物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為無害或較低毒性的產(chǎn)物，這個過程通常涉及氧化還原劑/催化劑/營養(yǎng)劑等的使用，促進(jìn)污染物的氧化還原、降解合成等反應(yīng)［8-9］；這2種原理的協(xié)同作用是功能性材料在水處理中取得成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

功能性材料的性能和應(yīng)用受材料的形態(tài)價態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、粒徑比重、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)等方面的影響［10］，合適的晶體結(jié)構(gòu)可以提高催化活性，孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以增加吸附容量，表面改性可以增強(qiáng)抗污染性能等。如，氧化鋯（ZrO2）在室溫下具有單斜晶體結(jié)構(gòu)，而在較高溫度下，它會轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆胶土⒎骄?，具有更高的親水性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛用于污廢水處理微濾（MF）、超濾（UF）和納濾（NF）的頂部活性層中［11-12］。Zou等［13］用共燒結(jié)工藝制備了具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氧化鋁（Al2O3）致密超濾膜，中間層的平均孔徑和水滲透率分別約為106 nm 和520 L/（m2·h·bar），該超濾膜在含染料/鹽廢水的分離回用以及促進(jìn)廢物的回收利用方面表現(xiàn)出巨大潛力。因此，元素物質(zhì)的選擇和合成改性方法是關(guān)鍵，不同的元素物質(zhì)表現(xiàn)出獨特的反應(yīng)活性和選擇性，可以用于不同類型污廢水的處理。合成改性方法包括液相法、氣相法和綠色合成法，通過精確調(diào)控環(huán)境功能材料的形狀、大小、結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而提高其性能。二氧化鈦（TiO2）具有高光催化活性和穩(wěn)定性的特征，是最廣泛使用的光催化劑，然而，TiO2具有較大的帶隙（～3.2 eV），只能在紫外光范圍內(nèi)表現(xiàn)出高活性，為使其能在可見光范圍內(nèi)有效工作，大量的研究聚焦在對其進(jìn)行改性，包括用高帶隙材料摻雜金屬或非金屬［14］、貴金屬沉積［15］和增加晶體缺陷［16］等方法。Singla等［17］使用有較窄帶隙值范圍（～2.7 eV）、高價帶勢的三氧化鎢（WO3）單斜相與帶隙能量幾乎相等的二硫化鉬（MoS2）形成MoS2/WO3異質(zhì)結(jié)，光催化活性得到增強(qiáng)，光生電荷的促進(jìn)增加，并且復(fù)合率得到抑制。工藝工程的優(yōu)化策略是實現(xiàn)功能性材料在污廢水處理中實際應(yīng)用的關(guān)鍵，包括材料制備、穩(wěn)定性與壽命、功能性材料在反應(yīng)器中的工作狀態(tài)/反應(yīng)器形式和退役材料的循環(huán)/再生/處置等方面。合理的工藝工程設(shè)計，可以優(yōu)化功能性材料的性能發(fā)揮，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定和可持續(xù)的污廢水處理。

傳統(tǒng)的污廢水處理技術(shù)止步于濃度動力學(xué)與常規(guī)污染物的去除，而針對復(fù)雜離子共存、新污染物暴露、資源流失和能量瓶頸等綜合性問題，功能性材料的研究和應(yīng)用為解決這些問題提供了新的途徑。有別于傳統(tǒng)的尺度概念，本文將元素/化合物水平-反應(yīng)水平-工程應(yīng)用水平歸納為3個宏觀層面的尺度，探討了功能性材料在元素物質(zhì)的選擇依據(jù)、合成改性方法和工藝工程設(shè)計策略等方向的思考與優(yōu)化，提出了性能與效率的方法學(xué)評價，對未來的材料增強(qiáng)型污廢水處理技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為創(chuàng)新和可持續(xù)提供有益的參考。

1 元素物質(zhì)

目前，無法統(tǒng)計已經(jīng)產(chǎn)生的元素物質(zhì)種類在元素周期表中的占比，基于元素價態(tài)和化合物形態(tài)，可用于制備功能材料的類型以無窮級數(shù)增長［18］，而碳基、硅基和金屬基功能材料是最為廣泛使用的元素物質(zhì)，在污廢水處理領(lǐng)域中表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價值?；诖耍疚倪x取碳基［19-20］、硅基［21-28］和金屬基［29-35］材料作為元素物質(zhì)的代表，在圖1中列舉了3個元素有關(guān)功能材料的種類，綜合分析部分新型材料在污廢水處理中的應(yīng)用和研究情況。

圖1 （a）碳基［19-20］、（b）硅基［21-28］和（c）金屬基［29-35］環(huán)境功能材料的種類Fig.1 Types of （a） carbon-based［19-20］，（b） silicon-based［21-28］ and （c） metal-based［29-35］ environmentally functional material

1.1 碳基功能材料

碳是最基本的生命元素，其化合價為-4～+4價的9種價態(tài)，富有與其它元素結(jié)合的多價態(tài)潛力。碳原子能夠形成4個共價鍵，使得碳基功能材料能形成復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，常用于制備高機(jī)械強(qiáng)度、高耐磨性的工程材料［36］?；钚蕴亢蜕锾恳子讷@取且無毒，是最普遍應(yīng)用的碳基材料。活性炭可用于氰化物的吸附氧化，早在1993年，就有研究指出復(fù)合離子與活性炭表面基團(tuán)相互作用產(chǎn)生的化學(xué)吸附和吸附氧（以吸附在碳表面的銅化合物為催化劑）催化氧化去除廢水中的氰化物［37］。生物質(zhì)材料中的碳具有天然的多孔或分層結(jié)構(gòu)，大多數(shù)生物質(zhì)中含有N、S等其它元素，這些元素在合成生物炭的過程中可作為雜原子摻雜，活化產(chǎn)生更多的活性位點。迄今為止，已從秸稈［38］、花生殼［39］、南瓜皮［40］和木薯皮［41］等植物廢物中制備了各種生物炭，這些產(chǎn)品主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，具有豐富的植物性官能團(tuán)如羰基、酚羥基和醇羥基，在離子交換和螯合吸附水中的重金屬離子等方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能，是水處理的良好功能材料［42-43］。

除了以上兩類，碳基材料按其形狀、尺寸和維度可分為零維（金剛石、富勒烯、碳量子點等）、一維（碳納米管、碳納米線等）、二維（MXene、石墨氮化碳、石墨烯等）和三維材料（碳?xì)饽z、碳泡沫、多壁碳納米管等）（圖1a），這些材料因其獨特且靈活的結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。碳的原子構(gòu)成允許形成多種結(jié)晶和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如碳納米管（CNTs）、石墨烯和MXene 等，這些碳基材料通常具有許多微小孔隙或通道，反應(yīng)活性高、具有大比表面積和高度可調(diào)節(jié)的化學(xué)性質(zhì)，常用于去除廢水中的有機(jī)污染物、重金屬和微生物等。

1.1.1 CNTs

CNTs 是碳原子以一定的排列方式形成的納米級別的管狀結(jié)構(gòu)，可分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs），其管壁的主要成分是碳原子晶格，相當(dāng)于石墨的原子平面，呈現(xiàn)出六角形晶格結(jié)構(gòu)，賦予碳納米管優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此，CNTs 被認(rèn)為是最理想的納米材料之一，在污染物的吸附、分離和光催化等方面得到了廣泛的應(yīng)用［44］。SWCNTs 由單個碳原子層組成，而MWCNTs 由多個碳原子層嵌套構(gòu)成［44］。CNTs的直徑通常在1～100 nm范圍內(nèi)，且管狀結(jié)構(gòu)的長度可以從納米級到微米級，納米級別的尺寸和細(xì)長的結(jié)構(gòu)使其具有巨大的比表面積、出色的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械性能，有助于增加物質(zhì)的吸附容量和反應(yīng)活性［45］。作為碳同素異形體的一種形式，CNTs具有良好的物理、化學(xué)和形態(tài)特征，可用于有效解決水資源短缺和污染的問題［46］。CNTs在污廢水處理中用作吸附劑、光催化劑和抗菌劑等。普遍認(rèn)為，吸附過程主要是由CNTs 表面的官能團(tuán)與重金屬離子的相互作用（如靜電吸引、化學(xué)接觸）所引起，其吸附能力隨著強(qiáng)氧化劑的氧化后可大幅度提升，這是因為被氧化后的碳納米管表面留下大量反應(yīng)性官能團(tuán)增多了吸附位點［47-48］。CNTs 具有出色的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械學(xué)的性能，可作為復(fù)合光催化劑的理想構(gòu)建成分，提高光催化劑的性能，在光照下，CNTs可作為光生電子受體協(xié)助界面電子轉(zhuǎn)移，同時CNTs 表面的氧與電子發(fā)生接觸時可產(chǎn)生活性氧自由基氧化污染物［49］。CNTs 的抗菌作用主要是對細(xì)胞壁或細(xì)胞膜的物理性破壞，在細(xì)胞內(nèi)部導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能損傷，并產(chǎn)生活性氧對細(xì)胞造成損傷［49］。盡管CNTs應(yīng)用廣泛且意義重大，但其毒性水平及其對生物和環(huán)境的影響仍是重點關(guān)注的話題，必須仔細(xì)研究CNTs對生物及環(huán)境的潛在危害，提出必要的安全預(yù)防措施。

1.1.2 石墨烯

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單原子層厚的平面片狀和二維晶格結(jié)構(gòu)的材料，由sp2雜化的碳原子鍵合成蜂窩晶格組成［50］。石墨烯的厚度僅為一個碳原子的直徑，盡管石墨烯非常薄，但它具有極高的強(qiáng)度和硬度，是世界上最薄和最堅硬的材料之一，能夠承受很高的應(yīng)力。石墨烯本身具有出色的特性，通過化學(xué)改性方法可以獲得一些更具應(yīng)用潛力的石墨烯衍生物，包括石墨烯納米片（GNS）、磺化石墨烯（sGNS）、氧化石墨烯（GO）及還原氧化石墨烯（rGO）等［51-55］，如表1所示［56-62］。

這些石墨烯及衍生物具有極高的比表面積、較高的電流密度和良好的透明度，是一種適合吸附有毒化合物、在廢水處理中進(jìn)行電化學(xué)和光催化的電極/輔助材料［63］。大量的研究表明，石墨烯基材料在環(huán)境應(yīng)用方面展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能，可處理重金屬［64］、抗生素［65］和染料［66］等污染物。Han等［65］通過泡沫-凝膠澆鑄/氮化工藝，開發(fā)了新型高效多孔石墨烯納米板/氮化硼復(fù)合氣凝膠（GNP/BNA），該GNP/BNA 可實現(xiàn)快速的環(huán)丙沙星（CIP）吸附和較高的CIP去除率（99%），在質(zhì)量濃度為10.5 mg/L時，最大吸附容量和歸一化吸附容量分別達(dá)到185 mg/g和2.03 mg/m2，氮化硼（BN）和GNP的選擇性吸附及其對藥物CIP功能基團(tuán)的協(xié)同吸附效應(yīng)是復(fù)合泡沫吸附性能提高的主要原因。Rout等［66］使用rGO作為吸附劑，從廢水中分批吸附孔雀石綠（MG）染料，去除效率和吸附容量分別為96.3%和279.85 mg/g，該吸附過程符合Langmuir等溫線模型（R2=0.993），由此獲得啟發(fā)，水質(zhì)凈化材料與有機(jī)污染物的分子尺寸匹配設(shè)計非常重要。

1.1.3 MXene

典型的MXene 結(jié)構(gòu)和成分如圖2 所示，由（n+1）層過渡金屬M 層疊在n層X 片上形成，一般公式為Mn+1XnTx。其中，M是來自Ⅲ或Ⅳ族的過渡金屬，例如Cr、Nb、Ti和V等，M可以被1個、2個或多個過渡金屬離子占據(jù)；X是C或N元素；T是末端基團(tuán)，例如表面上的—OH、—F和—O，n=1、2或3［67］。MXene具有良好的導(dǎo)電性、親水性和高化學(xué)穩(wěn)定性，并覆蓋有高活性官能團(tuán)，使其成為多種分子和離子的高效吸附劑［68］，巨大的橫向尺寸、納米級厚度以及高表面積使其適用于廢水處理［69-70］。MXene和MXene基材料可以吸附各種類型的污染物，包括農(nóng)藥、染料、重金屬Cr、Hg和Cu等［71］。Zhang等［72］為提高二維類石墨烯材料Ti3C2Tx對亞甲基藍(lán)（MB）的吸附性能，采用海藻酸鈉（SA）固定Ti3C2Tx，形成了Ti3C2Tx/SA水凝膠珠，選擇質(zhì)量比為Ti3C2Tx/SA-30%，在pH=7、298 K時，吸附容量達(dá)到92.17 mg/g，吸附過程符合偽二階動力學(xué)，較好擬合Langmuir等溫線模型。在光催化方面，MXene作為一種助催化劑可以防止光生電子和空穴的重新結(jié)合，提供了更多的活性位點［73］。Cao等［74］采用溶膠-水熱法將CuFe2O4（CFO）納米顆粒原位錨定到納米片Ti3C2上，形成了CuFe2O4/MXene（CFO/Ti3C2）的層狀異質(zhì)結(jié)，在可見光下降解抗生素磺胺甲基嘧啶（SMZ），其降解率可達(dá)59.4%，光電特性的高效性可歸因于復(fù)合材料中的光電子轉(zhuǎn)移和載流子壽命的延長。

圖2 MXene的典型結(jié)構(gòu)和成分［67］Fig.2 Typical structures and compositions of MXene［67］

綜上所述，CNTs、石墨烯和MXene 是3 種具有相對共性的碳基材料，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上有相似之處，但在應(yīng)用領(lǐng)域上展現(xiàn)出差異性。這3種材料均由碳原子構(gòu)成，具有高比表面積、良好的導(dǎo)電性和出色的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度和韌性，它們在吸附、催化等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。CNTs是中空管狀結(jié)構(gòu)，石墨烯是二維平面結(jié)構(gòu)，而MXene 則是多層片狀結(jié)構(gòu)，因此，石墨烯擁有最佳的電導(dǎo)率而更適合于電容吸附，碳納米管具有良好的電導(dǎo)性而通常被用于氣體的吸附分離，MXene 的電導(dǎo)性介于二者之間，在有機(jī)物和離子污染物的吸附方面表現(xiàn)出特色。此外，可根據(jù)特定的廢水處理需求選擇最合適的材料，也可以通過合成方法進(jìn)行改性，調(diào)整其性質(zhì)和增強(qiáng)其功能，以適應(yīng)不同污廢水處理的需求。

1.2 硅基功能材料

硅是地殼中第二豐富的元素，在自然界中主要以各種硅酸鹽的形式存在于沙子、玻璃和粘土等物質(zhì)中，主要與氧結(jié)合。硅資源相對豐富，成本較低，且硅在水中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不與水中的大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，可以長期用于水處理而不被消耗或降解。硅基功能材料可分為圖1b中的8類。多孔硅材料如硅膠、硅藻土和納米二氧化硅，通常被用作污廢水處理的吸附、催化與絮凝劑等。硅膠作為硅酸鹽衍生的凝膠或吸附劑，可以有效封裝污廢水中的As、Ni和其它重金屬，功能基團(tuán)的存在可調(diào)控材料性質(zhì)與強(qiáng)化作用效果，硅藻土上豐富的—OH 官能團(tuán)有利于氫鍵的產(chǎn)生，有效降低材料的表面張力。硅烷、碳化硅（SiC）和硅聚合物因其親疏水性、耐高溫和耐腐蝕性、抗污性的存在，常被用于高性能膜的制備。作為一種新興的硅基二維材料，硅烯類似于石墨烯，具有高導(dǎo)電性和高表面積，在電化學(xué)反應(yīng)中顯示出潛力，用于檢測和去除污廢水中的特殊污染物。

1.2.1 SiC

SiC具有極高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，能夠耐受酸、堿和其它化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，高溫下也可以穩(wěn)定存在。獨特的電子結(jié)構(gòu)賦予其適當(dāng)?shù)腢VA 輻射帶隙，吸收具有足夠能量的UVA 光，激發(fā)催化反應(yīng)所需的電子轉(zhuǎn)移。此外，在可見光區(qū)的光學(xué)透明性使其可以在不阻礙可見光透射的情況下進(jìn)行光催化反應(yīng)，拓寬環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域?；谝陨溪毺匦再|(zhì)，碳化硅被廣泛應(yīng)用于污廢水處理中，常作為催化劑載體、吸附劑或膜材料，在高溫和高化學(xué)性質(zhì)的環(huán)境中穩(wěn)定地降解有機(jī)廢物、去除重金屬以及提高水體的澄清度。SiC泡沫陶瓷因其大孔和三維互聯(lián)結(jié)構(gòu)而被視為具有吸引力的TiO2催化劑載體，這種結(jié)構(gòu)可有效改善TiO2的分散性［28］。Hao 等［28］研究了SiC 泡沫載體表面涂層TiO2促進(jìn)光催化反應(yīng)的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)光催化活性的提高是由于電荷載流子在TiO2和SiC 的導(dǎo)帶和價帶之間的轉(zhuǎn)移，p 型半導(dǎo)電碳化硅泡沫載體和n 型TiO2涂層之間的協(xié)同光催化效應(yīng)是光催化性能增強(qiáng)的原因。光催化劑與膜的結(jié)合不僅能降解污染物，還能延長膜系統(tǒng)的使用壽命，減少維護(hù)和清潔的頻率。Sakhaie 等［75］將SiC 作為載體，通過金屬摻雜制備了陶瓷基光催化膜（Zr/TiO2-SiC），當(dāng)過濾腐植酸溶液時，Zr/TiO2-SiC 光催化膜展現(xiàn)出很高的抗污性能。光催化劑（PC）粒子在膜表面的附著力對于技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要，表現(xiàn)為多次重復(fù)應(yīng)用的性能穩(wěn)定性與較少的損失率［68］。

1.2.2 硅聚合物

硅聚合物的區(qū)別在于主鏈上與Si原子鍵合的元素（O、N、Si、C）差異，圖3中顯示了4種主要的類別，分別是聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚硅烷和聚碳硅烷，將側(cè)基R 更改為H 原子或有機(jī)基團(tuán)（甲基、乙基、乙烯基、苯基）可以調(diào)整聚合物的性能，如化學(xué)和熱穩(wěn)定性、疏水性、流變性能和易改性［76］。有機(jī)硅聚合物復(fù)合材料是一類含有有機(jī)-無機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的材料，根據(jù)骨架結(jié)構(gòu)的差異，可分為聚硅烷、聚硅氧烷和聚倍半硅氧烷，為污廢水處理提供了全新的解決方案［24］。Du等［24］通過八乙烯基籠型硅氧烷（OVS）與聚乙烯亞胺（PLS）進(jìn)行Friedel-Crafts 反應(yīng)制備了混合納米多孔聚合物（LCHPPs），這種聚合物具有從水中去除染料和重金屬的潛力，對染料剛果紅（CR）和甲基藍(lán)（MB）的吸附容量分別為1873 和667 mg/g，對Pb2+和Hg2+的吸附容量分別達(dá)到301和139 mg/g。聚二甲硅氧烷（PDMS）耐極端溫度、耐腐蝕性和疏水性等特性使其適合用作水介質(zhì)中的吸附劑，它對氧氟沙星的去除率達(dá)到99.71%，其次是土霉素、環(huán)丙沙星和磺胺甲噁唑，分別為99.58%、96.01%和93.90%，相應(yīng)的吸附容量分別達(dá)到8.79、8.76、8.41和8.27 mg/g［77］。梯型倍半硅氧烷（LTS）顯示出低介電常數(shù)、優(yōu)異的耐熱或耐輻射性、良好的溶解性和成膜性，其功能化可以通過修飾主鏈上的有機(jī)取代基來實現(xiàn)，以滿足不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用需求［78-79］。

圖3 4種主要的硅基聚合物的結(jié)構(gòu)通式：（a）聚硅氧烷；（b）聚硅氮烷；（c）聚硅烷；（d）聚碳硅烷Fig. 3 Structural generalizations of the four main silicone-based polymers：（a） polysiloxanes；（b） polysilazanes；（c） polysilanes；（d） polycarbosilanes

1.3 金屬基功能材料

金屬基功能材料的多樣性和適應(yīng)性使其成為處理不同類型廢水的有力工具，這些材料以各種形態(tài)存在，包括金屬原子、金屬納米顆粒以及多孔材料等。目前，金屬基功能材料的發(fā)展趨勢是將單一金屬成分逐漸擴(kuò)展至包含2、3個，甚至更多不同金屬元素的復(fù)合材料。多金屬的引入引發(fā)了電子結(jié)構(gòu)的顯著變化，進(jìn)一步加強(qiáng)了不同金屬之間的協(xié)同效應(yīng)，有助于更精確地調(diào)控反應(yīng)的選擇性，增強(qiáng)催化活性。

1.3.1 單原子催化劑

在催化反應(yīng)中，只有外層電子才能作為反應(yīng)的活性位點，催化劑的研究方向之一是減小催化劑尺寸來增加活性位點的暴露，從而提高催化活性。納米粒子的理論尺寸極限是單原子，此類催化劑被稱為單原子催化劑（SACs）［80］。SACs 作為一種新型催化劑，由金屬單原子在載體上組成，具有以下3 個優(yōu)點［81-82］：1）100%的金屬原子利用率。SACs可以充分暴露每個金屬原子的活性位點，使金屬原子得到最大化利用；2）高活性和選擇性。SACs 通常能夠使金屬原子與周圍的基底（如碳材料、硫化物和金屬氧化物等）產(chǎn)生不同的電子效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)；3）高穩(wěn)定性。SACs 潛在的活性位點均勻且集中，使其能表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，同時較少的金屬用量和較強(qiáng)的化學(xué)鍵降低了成本和金屬泄漏風(fēng)險。不同類型的金屬，包括貴金屬（如Ag、Pt）和非貴金屬（如Fe、Cu、Co、Mo、Mn等）通常被用作單原子位點，通過不同價態(tài)金屬離子的氧化還原循環(huán)，激活氧化劑（過一硫酸鹽（PMS）、過二硫酸鹽（PDS）和過氧化氫（H2O2）等）產(chǎn)生活性氧自由基，去除水環(huán)境中的染料、持久性有機(jī)污染物和抗生素等有毒有害物質(zhì)［32，83-84］。在Fenton 體系中，鐵基SACs 的使用可以顯著減低Fe 的用量，減少污泥的產(chǎn)生，避免二次污染；在光催化體系中，金屬原子加速電子轉(zhuǎn)移，優(yōu)化半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，增強(qiáng)光催化性能［15，85］；在電化學(xué)體系中，具有強(qiáng)催化活性的單原子是理想的催化位點，通過調(diào)整晶格和表面缺陷，引入雜原子調(diào)節(jié)d帶中心的位置，選擇理想的配體制造結(jié)構(gòu)空位，提高電催化性能［82，86-87］?？偟膩碚f，SACs作為一種具有高活性和穩(wěn)定性的高級氧化技術(shù)（AOPs）催化劑，為實現(xiàn)環(huán)境修復(fù)提供了一種新穎的解決方案（表2）［31，83，88-95］。

表2 SACs在AOPs技術(shù)中的研究進(jìn)展Table 2 Progress of SACs in AOPs technology

1.3.2 金屬有機(jī)骨架（MOFs）

MOFs 也稱為配位聚合物，合成條件門檻低且可供選擇多、具有可控的單元結(jié)構(gòu)、可調(diào)整的孔隙拓?fù)浜统叩谋缺砻娣e等諸多優(yōu)點，已被廣泛用于吸附、分離和催化等領(lǐng)域［96-97］。MOFs 中含有可調(diào)的有機(jī)配體包裹著的孤立金屬離子（或簇）中心，形成催化活性位，與典型的多相催化劑相比，MOFs 中的多孔通道與可及的活性位點結(jié)合時，能夠提高活性位點利用率［98-99］。MOFs材料可分為拉瓦錫爾框架系列（MILs）、沸石咪唑框架系列（ZIFs）和其它金屬有機(jī)骨架衍生物，常見的MIL-101（Fe）和MIL-88A（Fe）具有八面體和棒狀結(jié)構(gòu)，具有立方體結(jié)構(gòu)的ZIF-9 以及具有十二面體結(jié)構(gòu)的ZIF-8 和ZIF-67［100］。MILs 由不同的過渡金屬元素（如Cr、Fe、Al）和二羧酸配體合成，ZIF 由四面體配位的陽離子（如Zn2+、Co2+和B3+）組成，通過咪唑酯橋接，ZIF 展現(xiàn)出更好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性［101-102］。在催化領(lǐng)域，有限的配位不飽和位點（CUS）導(dǎo)致MOFs 的催化潛力尚未完全釋放，為解決這一問題，尋找有效的策略在骨架節(jié)點處制備缺陷結(jié)構(gòu)與一種或多種其它金屬中心結(jié)合，可以增加其CUS 數(shù)量并顯著提高催化劑的活性，目前該領(lǐng)域的研究主要集中在Fe、Co、Mn 或MFe2O4（M=Fe、Co、Mn）材料或MOFs 材料衍生的碳基材料［103-104］。Pang等［105］制備的碳球包裹的Co/Ni-MOFs@CS 復(fù)合材料在30 min 內(nèi)對左氧氟沙星的催化氧化降解效率達(dá)到98.44%，TOC 去除率達(dá)到65.82%。在MOFs 的吸附領(lǐng)域，通常涉及MOFs 材料的活性位點與吸附污染物的活性位點之間的相互作用，可通過其潛在機(jī)制來確定［106-107］，包括靜電作用、酸堿作用、氫鍵、α堆積相互作用和疏水作用［108-111］。盡管MOFs具有積極的屬性，其實際應(yīng)用中的水質(zhì)穩(wěn)定性適應(yīng)仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。早期合成的MOF 材料由于較弱的配位鍵，水分子會逐漸取代金屬配位連接體，由此造成相當(dāng)一部分MOFs在水環(huán)境中容易發(fā)生骨架結(jié)構(gòu)坍塌，難于實現(xiàn)長期穩(wěn)定的運行［112］?，F(xiàn)階段常采用對配體進(jìn)行修飾或結(jié)構(gòu)調(diào)整、摻雜金屬、使用惰性金屬簇或在晶體表面覆蓋疏水層等方式來提高其穩(wěn)定性［112］。Ding等［113］通過一步表面聚合作用在MOFs表面涂覆一層薄的疏水性聚合物，發(fā)現(xiàn)外部疏水覆蓋層起到了保護(hù)弱金屬配體鍵免受水分子侵蝕的作用。除此之外，作為MOFs 前體的有機(jī)配體通常價格昂貴，致使MOFs 的成本高；潛在的金屬離子浸出造成二次水污染；目前的研究僅限于實驗室規(guī)模，實際廢水中的大規(guī)模應(yīng)用有待技術(shù)進(jìn)步與實踐檢驗。

1.3.3 金屬基納米顆粒

近年來，各種零價金屬納米顆粒如Fe、Cu、Ag、Al 和Zn 等在水污染治理中的應(yīng)用引起了廣泛的興趣［34，114］，在酸性條件下通過腐蝕金屬原位生成相應(yīng)的低價金屬離子，進(jìn)一步活化溶液中的過氧化物生成活性自由基。納米零價鐵（nZVI）粒徑小、比表面積大、還原性強(qiáng)和表面活性高，在降解污染物等環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其合成簡單、對環(huán)境友好且能夠通過腐蝕反應(yīng)不斷釋放Fe2+作為鐵源而被廣泛應(yīng)用［114-115］。而對于過氧乙酸（PAA）的激活來說，零價納米銅（nZVC）具有更短的誘導(dǎo)反應(yīng)時間，具有比nZVI更持久的活化能力［116］。雙金屬摻雜改性被認(rèn)為是避免中堿性條件下nZVI鈍化的有效技術(shù)，Cu的加入不僅可以避免nZVI表面的鈍化，而且可以有效提高Fe3+/Fe2+的循環(huán)，提高零價鐵銅雙金屬納米顆粒（nZVIC）的催化活性［117］。銀納米顆粒對微生物有劇毒，因此常作為良好的抗菌劑，用于水的消毒［118］。納米零價鋁（nZVAL）具有極高的反應(yīng)性（E0=-1.66 V），遇水時其表面會形成氧化物/氫氧化物薄膜，阻礙電子從金屬表面轉(zhuǎn)移到污染物分子/離子中，其實際應(yīng)用需要進(jìn)行改性以提高對鈍化的抵抗力［33］。與Fe（E0=-0.44 V）相比，Zn（E0=-0.76 V）具有更強(qiáng)的還原性，因此納米零價鋅（nZVZ）的污染物降解速率可能比nZVI快，常用于脫鹵反應(yīng)［119］。

ZrO2不僅是一種常見的陶瓷材料，用于制造處理水和廢水的膜，其納米顆粒具有強(qiáng)度高、優(yōu)異的穩(wěn)定性且經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢，同時具有酸性、堿性、氧化性和還原性，還可作為催化劑載體和多種反應(yīng)的催化劑，被廣泛應(yīng)用于催化領(lǐng)域［11，120］。Zhang 等［121］通過對ZrO2晶體進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化處理，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸較小的ZrO2更易形成不飽和配位鋯陽離子（Zrcus），進(jìn)而增強(qiáng)了反應(yīng)活性。由于簡易的制造工藝、環(huán)保特性、成本效益和顯著的吸附性能，Al2O3納米顆粒在吸附應(yīng)用中引起了廣泛的關(guān)注。然而，Al2O3的粒徑較小且易于浸出，為克服這些難題，致力于開發(fā)將Al2O3與其它氧化物和氫氧化物結(jié)合而成的復(fù)合材料成為熱點［122］。Madhusudan 等［123］合成了一種在特定條件下對磷酸鹽有很強(qiáng)親和力的Al2O3@Fe2O3核殼納米棒吸附劑。Al2O3@Fe2O3以化學(xué)吸附的方式，對磷酸鹽的最大吸附容量為106.2 mg （P）/g，是純Al2O3和純Fe2O3的11.29和1.85倍，證明了在Al2O3納米棒上涂覆一薄層Fe2O3吸附劑是增強(qiáng)磷酸鹽回收的有效策略。TiO2納米顆粒在酸性和堿性溶液中均具有較高的穩(wěn)定性、在紫外區(qū)具有良好的光催化性能、成本低廉、無毒和易于合成，是一種具有高禁帶寬度的n 型半導(dǎo)體材料［124-125］。在紫外線的照射下，TiO2將產(chǎn)生活性氧，可以在很短的時間內(nèi)非選擇性地降解多環(huán)芳烴、染料等污染物［126］。此外，在紫外線（λ＜400 nm）照射下產(chǎn)生的·OH 使TiO2納米顆粒能夠破壞各種細(xì)胞的功能和結(jié)構(gòu)，可以殺死多種微生物，如革蘭氏陰性和陽性菌、真菌、細(xì)菌和病毒等［127］。TiO2納米粒子的光學(xué)性能是有限的，許多研究聚焦于摻雜金屬（如W、Ag、Cd、Zn 等）來提高光催化反應(yīng)的效率和選擇性［14，128-129］。鐵氧化物納米顆粒具有抗毒性和生物相容性，在生物和材料中的研究蓬勃發(fā)展，此外，其磁性有利于材料從系統(tǒng)中分離和回收［130］。磁性磁鐵礦（Fe3O4或γ-Fe2O3）和α-Fe2O3（赤鐵礦）納米顆?？捎糜谌コ龔U水中的各種重金屬［131-133］。為了提高吸附效率并避免在空氣中氧化導(dǎo)致分散性和磁性的喪失，用聚合物、表面活性劑等配體提供適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉觼肀３执判匝趸F納米顆粒的穩(wěn)定性［134-135］。

1.3.4 納米多孔金屬泡沫

納米多孔金屬泡沫結(jié)合了金屬和納米結(jié)構(gòu)的特性，具有高比表面積、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、催化活性和延展性以及機(jī)械穩(wěn)定性［136］。泡沫鎳具有理想的三維結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電率、良好的導(dǎo)熱性和延展性，是電化學(xué)還原中碳材料有前景的替代品，然而在酸性介質(zhì)中的泡沫鎳容易被腐蝕，限制了其在廢水處理中的應(yīng)用［137］。為了克服對pH的依賴，研究人員采用了不同的改性方法，如碳涂層、Pd-Fe納米粒子改性以及納米復(fù)合材料改性，增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性和催化性能。Olvera-Vargas等［138］使用石墨烯包裹泡沫鎳作為陰極，與摻硼金剛石（BDD）陽極配對，在EF體系、酸性條件（pH=3）下，實現(xiàn)了全氟污染物短鏈六氟環(huán)氧丙烷二聚酸（GenX）的完全去除（3 h）、礦化（6 h內(nèi)TOC去除率92.2%）。盡管碳涂層的泡沫鎳材料有望在廢水中去除復(fù)雜有機(jī)物，納米顆粒在電極上的聚集仍是亟待解決的問題。Peng等［139］合成了Pd-Fe納米粒子改性泡沫鎳（Pd-Fe/Ni）電極，利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）對Pd-Fe/Ni 電極的表面性能進(jìn)行了改性。研究發(fā)現(xiàn)，CTAB的添加使Pd-Fe/Ni電極表面變得更加光滑，Pd、Fe顆粒排列更加均勻，有效防止了納米顆粒的聚集。Zhang等［140］以制備的納米復(fù)合材料改性泡沫鎳（MnO2/MWCNT-Ni泡沫）作為陰極，在60 min內(nèi)幾乎完全去除四溴雙酚A（TBBPA），偽一級動力學(xué)常數(shù)達(dá)到0.07293 min-1，10次循環(huán)后仍表現(xiàn)出較高的催化性能和較低的催化劑損失率。除了泡沫金屬鎳，其它的泡沫金屬如泡沫銅、泡沫鐵等也被應(yīng)用于難降解有機(jī)污染物的去除。Sun等［141］對比Au-Fe改性泡沫銅和Fe改性泡沫銅光催化去除RhB，發(fā)現(xiàn)Au 負(fù)載是RhB 降解的重要因素，因為Au 會促進(jìn)H2O2的產(chǎn)生（反應(yīng)式（1））；與Au 改性泡沫銅陰極相比，Au-Fe改性泡沫銅陰極具有更優(yōu)越的降解能力，歸因于鐵和銅的協(xié)同催化作用所致（反應(yīng)式（2）-（5））。Huang等［142］將泡沫鐵與臭氧相結(jié)合，120 min內(nèi)實現(xiàn)了制藥廢水中53%的DOC去除，可生化性得到提高，大部分含有苯環(huán)和氨基的有機(jī)污染物被降解。總的來說，納米多孔金屬泡沫在污廢水處理和綠色技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，有助于減少廢物產(chǎn)生、提高資源利用效率，從而推動可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

2 合成改性

2.1 合成策略

不同元素物質(zhì)展現(xiàn)出不盡相同的特性，其合成是根據(jù)所需的物理、化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性來選擇最佳的方法，本節(jié)主要介紹幾種常見的元素物質(zhì)合成方法。通過調(diào)節(jié)合成方法和反應(yīng)條件，可以精確調(diào)控環(huán)境功能材料的形狀、大小、結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，圖4總結(jié)了環(huán)境功能材料的不同合成方法。液相法主要包括溶劑熱法、溶膠-凝膠法和共沉淀法，其合成工藝簡單、操作方便；氣相法一般為化學(xué)氣相沉積法，制備的顆粒粒徑小、分散均勻、高純度和高表面活性；綠色合成法強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性和環(huán)境友好性的化學(xué)合成方法，旨在降低化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的負(fù)擔(dān)、減少或消除有害廢物和有害化學(xué)品的生成，降低能源消耗，提高資源的可持續(xù)性利用，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

圖4 材料功能化不同合成方法的一般步驟。（a）用于合成沸石的溶劑熱法［143］；（b）溶膠-凝膠法合成流程圖［144］；（c）共沉淀法合成Fe3O4納米粒子的流程圖［145］；（d） CVD 法制備PPTA/PPy OSN 膜的示意圖［146］；（e）綠色合成流程圖［147］Fig.4 General steps of different synthesis methods for material functionalization.（a） Solvothermal method used to synthesize zeolites［143］；（b） Flowchart of the sol-gel synthesis［144］；（c） Flowchart of the co-precipitation method for the synthesis of Fe3O4 nanoparticles［145］；（d） Schematic diagram of the CVD method for the preparation of PPTA/PPy OSN membranes［146］；（e） Flowchart for green synthesis［147］

2.1.1 溶劑熱法

水是迄今為止最重要的溶劑，19 世紀(jì)50 年代，地質(zhì)學(xué)家模擬水熱條件來研究某些礦物和巖石的形成，這個研究奠定了水熱法在單晶生長領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)，而粉劑制劑的歷史已有近2 個世紀(jì)的發(fā)展歷程［148］。許多有機(jī)溶劑，如醇（例如甲醇、乙醇、戊醇）、乙二醇、碳?xì)浠衔锖瓦拎ひ惨殉晒?yīng)用于功能材料的合成［143］。與水一樣，這些分子溶劑在高溫下產(chǎn)生顯著的自生壓力，該方法中使用溶劑的性質(zhì)可以是非極性的或疏水性和親水性的極性溶劑。溶劑熱合成可應(yīng)用于從金屬鹽、氧化物和有機(jī)化合物等固/液化學(xué)前體物質(zhì)中制備金屬基功能材料/復(fù)合材料，該過程的溫度、壓力、反應(yīng)時間和底物濃度是影響衍生材料特性的關(guān)鍵參數(shù)［149-150］。溶劑熱法是一種經(jīng)典的MOFs材料制備方式，指在密閉容器中反應(yīng)物在高于溶劑沸點的溫度條件下經(jīng)由自升壓力進(jìn)行反應(yīng)的合成方式，大多數(shù)MOFs 材料均能由水熱法制備而成。由水熱法制備的MOFs 基催化劑晶體結(jié)構(gòu)完整，具有較好的穩(wěn)定性［100］。Ye 等［30］采用低溫水熱法制備了單金屬Co-MOF、Ni-MOF 和雙金屬Co/Ni-MOF，Pang 等［105］通過水熱碳化從葡萄糖中合成了作為MOFs載體的碳球，與其它方法相比，溶劑熱法具有較好的燒結(jié)活性、產(chǎn)生的晶粒粒度小，不易發(fā)生顆粒團(tuán)聚。Zhang 等［151］采用2 種方式合成鋅鐵氧體（ZFO），發(fā)現(xiàn)水熱合成ZFO 的催化活性明顯高于檸檬酸鹽溶膠-凝膠合成產(chǎn)物。除了單一的溶劑熱過程之外，許多研究還嘗試采用綜合技術(shù)設(shè)計高效的功能材料。據(jù)報道，采用微波水熱法在200 °C、30 min下成功制備了TiO2/碳纖維光催化材料，該材料對RhB染料的分解表現(xiàn)出優(yōu)異性能，10次循環(huán)后光催化活性仍超過86%［16］。

2.1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種通過形成膠體顆粒（溶膠）從分子前體生產(chǎn)固體材料（凝膠）的方法，常用于合成各種納米多孔材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別是金屬氧化物納米粒子，比其它方法具有更高的普及度和工業(yè)應(yīng)用前景［152］。一般步驟是將所需的化學(xué)前體物質(zhì)（通常是金屬鹽、金屬有機(jī)化合物）溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲校纬赏该骰虬胪该鞯娜苣z［144］?？梢哉{(diào)整多種參數(shù)，例如前體物的選擇、溫度、溶液濃度、pH 值或添加凝膠劑等，誘導(dǎo)前體分子自組裝或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，定制最終的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)、網(wǎng)絡(luò)化學(xué)和孔結(jié)構(gòu)（從聚合物到小顆?；虼箢w粒的顆粒網(wǎng)絡(luò)等），從溶液中形成凝膠網(wǎng)絡(luò)［153］。在溶膠-凝膠過程中，溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)化通常是通過改變pH 值或改變?nèi)芤旱臐舛葋硗瓿?，一旦凝膠形成，通常需要將其干燥，有些凝膠的制備需要經(jīng)過熱處理，以進(jìn)一步調(diào)整其晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)［154］。由于凝膠的干燥伴隨著收縮，需要提供合適的條件來防止裂紋的形成［155］。作為一種常見的制備SiC 材料方法，溶膠-凝膠法制備工藝簡單、反應(yīng)過程簡單，最終產(chǎn)物的形式易控制，可得到粉體或納米線狀材料［156］。Zhang 等［157］利用低成本玉米秸稈和MnFe2O4作為原材料，通過溶膠-凝膠-熱解制備功能化生物炭支撐的磁性MnFe2O4納米復(fù)合材料（BC/FM），Pb/Cd-O 的形成和表面官能團(tuán)（—NH2和—COOH）與金屬離子的絡(luò)合提供了主要的吸附作用力。

2.1.3 共沉淀法

共沉淀法利用化學(xué)反應(yīng)將2 種或多種金屬離子在溶液中同時沉淀形成具有特定性能的多功能材料，主要特點是在單次反應(yīng)中同時形成多個化學(xué)位點，從而大大提高了材料的功能性和可控性。在共沉淀反應(yīng)過程中，組分會同時成核、生長、粗化和/或團(tuán)聚，所得沉淀物的形態(tài)、粒徑和組成很大程度上取決于反應(yīng)參數(shù)，如前體物比例、溫度、pH值和表面配體等［158］，常用于金屬納米顆粒的制備。該方法還可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，合成具有特定形狀和結(jié)構(gòu)的多孔材料，如微孔炭、多孔陶瓷等，用于提高吸附效率和選擇性。Yang 等［159］通過3 種不同的改性方法（氮氣氛圍下Fe2+/Fe3+共沉淀、空氣氛圍下Fe2+/Fe3+共沉淀和空氣氛圍下用FeCl3浸漬）制備了鐵改性活性污泥生物炭，值得注意的是，空氣氛圍下用FeCl3浸漬生物炭中的鐵主要存在于無定形相中，提高了吸附性能。共沉淀法可以簡便、快捷地獲得Fe3O4和γ-Fe2O3等氧化鐵納米顆粒，納米顆粒的形態(tài)、尺寸和形狀以及化學(xué)成分取決于所使用的金屬前體物［160］。在Fe2+/Fe3+鹽溶液中添加堿，提供強(qiáng)堿性環(huán)境，通過成核和生長最終生成Fe3O4納米顆粒，F(xiàn)e3O4的化學(xué)形成方程式如反應(yīng)式（6）［145］，采用共沉淀法合成低成本的自旋型鎳鐵氧體納米粒子（NFN）作為吸附劑去除重金屬也被報道，這些尖晶石鐵氧體通過NFNs磁性納米顆粒吸附，可有效去除合成廢水中的重金屬（Cr（Ⅵ）、Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ））［161］。

2.1.4 化學(xué)氣相沉積法（CVD）

CVD 是一種常用的薄膜制備技術(shù)，用于在固體表面上沉積材料，這一過程通過在氣相中引入化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，使其在表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在基底上形成薄膜或涂層［162］。CVD 可以利用氣相反應(yīng)賦予基底膜理想的性能，而不改變基底膜的組成，與一些傳統(tǒng)的膜表面改性方法相比，CVD 法形成的薄層致密均勻，與基體膜結(jié)合牢固，沉積速度快，成分易于控制［163］。一般流程為：1）氣相反應(yīng)。合成CVD的關(guān)鍵是將一種或多種化學(xué)氣體引入反應(yīng)室，這些氣體包括前驅(qū)體氣體和載氣。前驅(qū)體氣體是要沉積的材料的前體，可以是金屬有機(jī)化合物、氣態(tài)無機(jī)化合物或其它化學(xué)氣體，載氣通常是惰性氣體，如N2或H2，用于稀釋前驅(qū)體氣體和促進(jìn)反應(yīng)；2）沉積反應(yīng)。在反應(yīng)室中，前驅(qū)體氣體和載氣混合并被加熱到適當(dāng)?shù)臏囟取Ｔ诨妆砻?，前?qū)體氣體發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成固體產(chǎn)物（晶體、非晶體、多晶體或納米材料），將其沉積在基底上；3）沉積層的生長。反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致沉積層的生長。控制沉積層的厚度可以通過調(diào)整前驅(qū)體氣體的流量、溫度、反應(yīng)時間和基底表面的性質(zhì)來實現(xiàn)。目前，合成石墨烯的方法有很多，CVD 成為在金屬基底（尤其是金屬箔）上合成大面積、高質(zhì)量單層或少層石墨烯的最常用方法。研究發(fā)現(xiàn)，銅和銅基合金薄膜是石墨烯可控生長的理想候選材料，使用銅硅合金薄膜作為基底可以“精細(xì)控制”層數(shù)（1～4 層）［164］。除了石墨烯，CNTs、單原子催化劑和一些膜材料也常用CVD 方法合成，這種合成方法得到的材料純度高、致密性好和殘余應(yīng)力更小，并且還能調(diào)節(jié)沉積的參數(shù)。Lai等［146］通過CVD 方法制備了新型聚對苯二甲酰對苯二胺/聚吡咯（PPTA/PPy）復(fù)合有機(jī)溶劑納濾（OSN）中空纖維膜，SEM 分析顯示，經(jīng)過PPy 修飾后的PPTA 多孔支撐膜表面成功形成了2 層納米級球狀或條狀網(wǎng)絡(luò)的“類圖靈”結(jié)構(gòu)薄層。

2.1.5 綠色合成法

綠色合成法是指利用植物、微生物中存在的環(huán)境友好型生物還原劑和穩(wěn)定劑來合成環(huán)境功能材料，這些生物還原劑和穩(wěn)定劑可以從各種植物部分（如種子、果實、葉、根、花和果皮）、微生物（包括細(xì)菌、菌類和藻類）和環(huán)?；瘜W(xué)品（蜂蜜、維他命C、抗壞血酸和殼聚糖等）中提取或獲得，用于合成具有特定性能和應(yīng)用的材料［147］。這些方法通常不涉及對環(huán)境或人類健康有害的化學(xué)品，因此對可持續(xù)發(fā)展和綠色化學(xué)的推動具有積極意義。綠色合成技術(shù)常用于金屬納米顆粒的合成，反應(yīng)混合物中存在的金屬離子被還原劑還原成金屬原子，金屬原子通過團(tuán)聚變得穩(wěn)定并形成納米顆粒［165］。Sachin 等［166］采用荔枝皮提取物，使用簡單的綠色方法合成的ZnO 納米顆粒具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，傅里葉變換紅外（FT-IR）光譜證實了ZnO 中適合染料吸附的官能團(tuán)。由于植物提取物合成的環(huán)境友好性和獨特的一步法過程，納米顆粒的生物降解能力顯著增強(qiáng)，涉及了納米顆粒協(xié)同還原、穩(wěn)定和封端機(jī)制的新功能［167］。

2.2 表面功能化改性

在材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為了賦予材料重金屬去除的性能，材料應(yīng)該富含可以通過靜電和配位相互作用、物理吸附和/或離子交換的機(jī)制去除重金屬的官能團(tuán)，同時應(yīng)該具有較高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐污染性，具有較大的比表面積和良好的機(jī)械性能；為了將油與水分離，材料應(yīng)具備分離效率高、流量大、環(huán)保、規(guī)?；a(chǎn)和成本效益高的特點，主要策略是在特殊的潤濕基底上形成微/納米結(jié)構(gòu)來提高潤濕性和分離效率，用其它材料對表面進(jìn)行化學(xué)改性以增強(qiáng)其分離性能［168］。環(huán)境功能材料的表面功能化改性是通過在材料表面引入不同的化學(xué)官能團(tuán)或改變表面性質(zhì)，以增強(qiáng)其反應(yīng)性能和適用性。纖維素含量豐富、成本低和親水性，但其表面大量的—OH 彼此形成極強(qiáng)的氫鍵，導(dǎo)致水溶性較差，限制了在水處理中的應(yīng)用，通過酯化、胺化、硅烷化、醚化、磷酸化和羧基基團(tuán)附著在其表面，進(jìn)行表面改性［169-171］。

在重金屬的去除方面，官能團(tuán)和重金屬之間的分子/離子間相互作用是復(fù)雜的，其吸附機(jī)制可能涉及物理吸附、靜電相互作用、離子交換、表面絡(luò)合和沉淀等。這些材料通常擁有特定的絡(luò)合位點，如含氧、含硫或含氮官能團(tuán)，能夠與重金屬形成穩(wěn)定的配位鍵，從而實現(xiàn)高效的功能吸附［172］。Harvey 等［173］強(qiáng)調(diào)，軟路易斯堿官能團(tuán)（如羰基和芳香族結(jié)構(gòu)）有利于偶極-偶極相互作用，如陽離子-π鍵對Cd（Ⅱ）的吸附，而硬路易斯堿官能團(tuán)（如去質(zhì)子化的羧酸和苯酚）則有利于通過陽離子交換進(jìn)行吸附。Kong等［174］根據(jù)軟硬酸堿（HSAB）原理將金屬離子分為硬離子（Na（Ⅰ）、Mg（Ⅱ））、邊緣離子（Ni（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Co（Ⅱ））和軟離子（Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）），研究了這些金屬離子在氧化石墨烯表面的吸附行為，發(fā)現(xiàn)硬離子的吸附容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軟離子和邊緣離子，GO 中的含氧官能團(tuán)對金屬離子的吸附起到關(guān)鍵作用。每種改性機(jī)制在重金屬吸附中的具體作用有很大差異，具體如表3所示［172，175-185］。

表3 環(huán)境功能材料對重金屬的吸附性能Table 3 Adsorption properties of environmental functional materials for heavy metals

在油水分離方面，疏水材料可以吸附油和有機(jī)溶劑污染物，但在表面留下水，當(dāng)油和水分離時，疏油材料中水分子進(jìn)入材料的孔隙，但油滴被捕獲，因此保持材料清潔且不被油污染至關(guān)重要［186-187］。一系列仿生學(xué)研究表明，許多天然超疏水表面，如荷葉、水黽和鴨毛，均歸因于多種鱗片的粗糙度和特殊表面化學(xué)的協(xié)同組合，可以通過設(shè)計表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)來獲得具有極高油/水分離效率的超疏水膜［188］。通過將親水性聚合物三聚氰胺泡沫浸漬于天然的疏水材料中，實現(xiàn)了對其進(jìn)行功能化以獲得疏水材料［189］。真空和加熱條件下，將全氟辛基三乙氧基硅烷（PFTS）有機(jī)硅烷通過CVD 方法沉積到電紡纖維素基材制備的疏水性纖維素濾紙，生成的膜具有高度疏水性，并顯示出卓越的油/水分離效率［190］。

在有機(jī)污染物的吸附去除方面，通過各種納米材料和試劑對生物炭進(jìn)行功能化，可以有效提高吸附性能。由于納米顆粒具有較大的表面積，摻入納米顆?？商岣呶饺萘浚琀u等［191］以樟腦葉和不同比例的ZnCl2為成孔物質(zhì)，制備了一系列ZnO-磁性生物炭，在pH=4時對CIP（449.40 mg/L）表現(xiàn)出良好的吸附能力。氮摻雜可賦予碳材料極性表面和堿性位點，進(jìn)而提高碳材料對極性化合物的吸附效率，Xu等［192］證明N 摻雜后，花狀多孔碳納米吸附劑呈堿性，SMT去除的機(jī)制包括含氮基團(tuán)的氫鍵。此外，研究制備的聚-3-羥基丁酸酯（PHB）滲入的仿生吸附劑，對去除親脂性的有機(jī)氯化合物（OClCs）和富集水溶液中的痕量有機(jī)污染物（TAOC）非常有效［193-195］。在有機(jī)污染物的催化降解方面，Gao 等［83］采用級聯(lián)錨定方法合成了單原子鐵催化劑（標(biāo)記為SA-Fe-NC），揭示了SA-Fe-NC 高活性的根源在于鐵吡啶N4分子，它不僅產(chǎn)生了單原子鐵作為催化位點，還產(chǎn)生了與吡啶N相鄰的C原子作為PMS的結(jié)合位點，從而顯著提高了催化活性，Zhou等［90］證明MnN4作為活性位點，介導(dǎo)電子從有機(jī)污染物到PMS上的轉(zhuǎn)移。不同的有機(jī)污染物可能需要不同的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性和降解途徑，因此需要針對性地選擇合適的改性策略。

傳統(tǒng)水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、易發(fā)生斷裂，因此，工程應(yīng)用的水凝膠通常是改性的水凝膠。技術(shù)改造和編程模擬可獲得不同結(jié)構(gòu)、活性和功能的水凝膠，技術(shù)改造如聚合物鏈交聯(lián)、共價網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)粘接和納米雜化等，編程模擬的3D 打印技術(shù)能提供精準(zhǔn)的水凝膠模型［196］。分子層面的設(shè)計使得具有三維柔性聚合物網(wǎng)絡(luò)的水凝膠在吸附去除多種含水污染物（包括重金屬、營養(yǎng)物質(zhì)和有毒染料）方面表現(xiàn)出更為卓越的性能［197］。聚合物膜具有高機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的成膜性能和高疏水性，在各種膜工藝中被廣泛應(yīng)用［198-199］。然而，由于其固有的疏水性質(zhì)，蛋白質(zhì)和小分子污染物在其表面的吸附使膜表面結(jié)垢，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染，惡化膜的性能和縮短使用壽命［200］。為了解決膜結(jié)垢污染的問題，通過使用無機(jī)/有機(jī)納米材料接枝進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)納米填料與膜之間的相互作用，改善膜材料的防污和再生能力［201］。在眾多膜基底材料中，聚醚砜（PES）是一種性能優(yōu)良的熱塑性高分子聚合物材料，PES 分子由多個苯環(huán)形成，具有砜基基團(tuán)形成的剛性結(jié)構(gòu)和α共軛體系，使其具有耐燃性和優(yōu)異的力學(xué)性能。它的表面極易被非極性溶質(zhì)、膠體粒子和微生物等雜質(zhì)所吸附，降低膜通量和縮短使用壽命，通常通過表面涂層［202］、嵌入親水納米顆粒［203］、與親水和兩性離子聚合物共混［204］和表面功能化［205］來進(jìn)行親水改性、減輕膜污染。很多研究開發(fā)了混合基質(zhì)膜（MMM），引入催化活性材料如生物炭-TiO2復(fù)合材料［206］、巰基功能化-天然沸石［207］、Fe2O3和多壁碳納米管［208］，增強(qiáng)膜材料的親水性。Gao等［209］將丙烯腈單體（AN）接枝聚合到聚偏氟乙烯（PVDF）上，然后采用L-S 相轉(zhuǎn)換法制備了PVDF-g-PAN/PVDF 共混膜，用鹽酸羥胺進(jìn)行化學(xué)修飾后，制備了含酰胺肟基團(tuán)的PVDF-g-PAO/PVDF 螯合膜。該膜材料可以提供金屬離子和有機(jī)污染物的雙重分離性能，對牛血清白蛋白（BSA）（95.17%）和溶菌酶（70.09%）具有較高的截留效率，通過化學(xué)吸附去除Cu2+和Pb2+、靜電力吸附去除Cd2+。Liu 等［210］通過非溶劑誘導(dǎo)相分離制造出新型ZIF-67嵌入PVDF MMM（ZIF-67@PVDF）的膜材料，該膜在PMS存在下表現(xiàn)出優(yōu)異的防污和自清潔性能，改性后的膜通量和通量回收率分別是原始PVDF膜的4.25和2倍。

在環(huán)境功能材料的合成和表面功能化改性過程中，根據(jù)材料特點選擇合適的合成方法，根據(jù)應(yīng)用的需求選取特定的改性方式，可以實現(xiàn)材料的定制化設(shè)計。此外，還需要考慮合成過程中的多個關(guān)鍵因素，選擇經(jīng)濟(jì)高效的合成路徑和原材料確保成本的可控性；尋求低能耗的反應(yīng)條件和綠色合成方法減少資源的浪費；探究原子利用率、產(chǎn)率和收率等參數(shù)以確保合成過程的高效性和可持續(xù)性，以上幾點也是重要的考慮因素。綜合來看，在綜合考慮成本、能耗、原子利用率、產(chǎn)率和收率等因素的基礎(chǔ)上，成功實現(xiàn)環(huán)境功能材料的精確制備和功能改性，可以為環(huán)境污染治理提供可行的解決方案。

3 工藝工程與應(yīng)用

雖然環(huán)境功能材料已經(jīng)有了許多創(chuàng)新性的研究成果，但目前用于污廢水處理的研究大多停留在實驗室規(guī)模水平上，在工程化應(yīng)用方面還存在很多困難和挑戰(zhàn)。很多環(huán)境功能材料是粉末狀的，納米級/微米級催化劑可以在一定程度上有效催化產(chǎn)生·OH，但其分離回收困難，尤其是在填料層中應(yīng)用時容易流失限制了其在工業(yè)廢水處理中的實際應(yīng)用，因此開發(fā)制備條件簡單、易于分離的毫米級以上大小的功能材料是極其必要的［211］。Shan 等［212］研究合成了大尺寸（直徑0.8～1.0 mm）、高比表面積（180 m2/g）的介孔Ce-Ti-Zr 三元氧化物（CTZO）微球，可滿足柱式臭氧處理中的水動力需求。催化氧化的工業(yè)應(yīng)用，穩(wěn)定性（包括抗物理磨損、化學(xué)毒害和活性位點的損耗）對于評估催化劑的性能至關(guān)重要。盡管碳材料表現(xiàn)出令人滿意的催化活性，但一些催化劑的碳組分會隨時間而發(fā)生微觀的變化或造成質(zhì)量損失，大多數(shù)過渡金屬氧化物（如錳氧化物和鈷氧化物）在酸性條件下易發(fā)生嚴(yán)重浸出，不僅會喪失催化能力，還會造成二次污染，污染物的吸附、中毒、脫附或材料表面的積垢也可能導(dǎo)致失活［213］。更換催化劑必須停止廢水處理系統(tǒng)的核心部分，因此開發(fā)穩(wěn)定有效的催化劑對于催化氧化的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。Shi等［214］合成的Fe2O3/Al2O3-SiC 應(yīng)用于進(jìn)水流量為100 m3/h 的全規(guī)模反應(yīng)器，一年的連續(xù)穩(wěn)定運行驗證了Fe2O3/Al2O3-SiC 材料良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性/耐腐蝕性。如圖5 所示，He 等［215］在以MnxCe1-xO2/γ-Al2O3為催化劑的中試和全規(guī)模連續(xù)流催化臭氧氧化工藝中證實無機(jī)鹽的沉積是催化劑失活的主要原因。焦化廢水生物出水中的無機(jī)離子彼此碰撞、接觸和反應(yīng)，形成了一些無機(jī)晶體，沉積在催化劑表面，開始時結(jié)合不緊密，不進(jìn)行處理就會在催化劑表面形成致密的沉積層，在結(jié)合不緊密時啟動氣/水反沖洗，可直接將催化劑表面沉積的無機(jī)物擦洗掉，引起催化劑顆粒之間的碰撞，間接導(dǎo)致沉積的無機(jī)物脫落，覆蓋在催化劑表面的雜質(zhì)層松動，增加再生孔隙。

圖5 （a）中試實驗和（b）全規(guī)模示范示意圖，（c）催化劑的失活和再生機(jī)制［216］Fig. 5 Schematic of （a） pilot experiment and （b） full-scale demonstration，（c） deactivation and regeneration mechanism of catalyst［216］

在污廢水處理中，催化/吸附材料的使用方式因反應(yīng)器不同。針對固定床反應(yīng)器，吸附/催化劑通常以顆?；蝾w粒床的形式填充在反應(yīng)器的固定床中，可以采用填充物、支撐網(wǎng)格或其它支持結(jié)構(gòu)來防止顆粒移動，這些顆粒在反應(yīng)器中保持靜止，廢水通過床層時與固體材料接觸并發(fā)生反應(yīng)［217］；吸附床通常填充有吸附劑，如活性炭或分子篩，這些吸附劑填充在固定床中，通過物理或化學(xué)吸附將廢水中的污染物去除［218］；針對流化床反應(yīng)器，通過提供足夠的流體速度和攪拌力，吸附/催化劑顆?？梢詰腋≡趶U水中，這種懸浮狀態(tài)可以提高吸附/催化劑的活性，廢水通過流化床，與固體顆粒接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或吸附［219］。在流化床、固定床或吸附床等不同類型的反應(yīng)器中，設(shè)計更適合工程應(yīng)用的載體結(jié)構(gòu)可以作為反應(yīng)器的填料或支撐，提高反應(yīng)器的負(fù)荷能力和效率。An 等［220］在工程應(yīng)用中創(chuàng)新性地提出了鐵屑經(jīng)過壓縮和改性形成的鐵基整體式催化劑填料，這種填料具有不規(guī)則的孔道、孔隙率大和孔徑小，有效比表面積（SSA）高達(dá)3500 m2/m3，利于傳質(zhì)并促進(jìn)·OH 的有效利用。實際工程中，根據(jù)廢水流量大小，采用塔式反應(yīng)器（＜3000 m3/d）和鋼筋混凝土建筑反應(yīng)器（＞5000 m3/d），成本相對較低、無二次污染，主要以投資成本（O3發(fā)生器和催化劑）為主，電力是唯一的運行成本［220］。此外，通過合理設(shè)計孔隙結(jié)構(gòu)，提供更多的活性位點，防止催化劑顆粒的聚集，降低催化劑在反應(yīng)中的失活風(fēng)險，延長其使用壽命。設(shè)計更適合工程應(yīng)用的多孔載體結(jié)構(gòu)是優(yōu)化環(huán)境功能材料在污廢水處理中應(yīng)用的有效方法之一，有助于實現(xiàn)廢水處理的高效和穩(wěn)定運行。此外，將功能材料從實驗室規(guī)模放大到工業(yè)規(guī)模是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和滿足市場需求的必要步驟，需要綜合考慮工程、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多方面因素，以確保放大化過程的成功和可持續(xù)性，這一過程不僅僅是規(guī)模的擴(kuò)大，更是對材料性能、可持續(xù)性和市場競爭力的關(guān)鍵考量。通過放大化生產(chǎn)過程，可以更好地控制材料的生產(chǎn)規(guī)模，確保產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量穩(wěn)定，對于滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)、降低不合格品率非常關(guān)鍵，同時，規(guī)模化生產(chǎn)通常具有更低的生產(chǎn)成本，在產(chǎn)量大幅提高的基礎(chǔ)上降低每單位材料的生產(chǎn)成本。功能材料的規(guī)?；a(chǎn)有助于提高生產(chǎn)效率、保持質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)可行性、推廣市場應(yīng)用、實現(xiàn)可持續(xù)性和促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。

在工藝工程中，電場、光場和磁場等外部力場的協(xié)同能夠顯著提高材料的分離和凈化效率，例如，電場可以用于電吸附和電解過程，光場有利于光催化和光解反應(yīng)，而磁場可以加速磁性材料的分離過程。這些力場的引入加強(qiáng)了環(huán)境功能材料的性能，使其在污廢水處理中更加高效。物理、化學(xué)和生物方法的組合在環(huán)境功能材料的工程應(yīng)用中發(fā)揮了協(xié)同效應(yīng)，可以提高處理效率和選擇性。循環(huán)、再生和處置是環(huán)境功能材料工藝工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，循環(huán)利用廢水處理中的材料將有助于減少資源浪費，材料的再生延長了使用壽命，廢渣和廢料的妥善處置避免對環(huán)境造成二次污染。不同材料或技術(shù)的協(xié)同作用可以產(chǎn)生比單獨使用表現(xiàn)出更高的性能，在工程應(yīng)用中，小尺度的材料和反應(yīng)可以通過放大和擴(kuò)展產(chǎn)生更大規(guī)模的影響，使材料的性能得到有效利用。環(huán)境功能材料的工藝工程應(yīng)用已經(jīng)逐漸演化為一個具有產(chǎn)業(yè)化潛力的領(lǐng)域，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，廢水處理和資源回收需求的增加，環(huán)境功能材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也逐漸壯大，連續(xù)性運行和可持續(xù)性發(fā)展是產(chǎn)業(yè)化的重要目標(biāo)。

4 評價過程與方法

水處理工業(yè)中使用的材料包括藥劑、填料、濾料和表面活性劑等，目前缺乏明確的分類。催化劑、吸附劑、助凝劑、阻垢劑、緩蝕劑、碳源物質(zhì)和無機(jī)電子供體等可以納入藥劑的范疇，纖維、塑料、彈性立體填料、軟性填料、蜂窩陶瓷和海綿等屬于填料的范疇，濾料包括有機(jī)纖維、有機(jī)膜材料、無機(jī)膜材料、石英砂、分子篩和離子交換樹脂等；表面活性劑有陰離子、陽離子和兩性等多種規(guī)格。這些功能材料在污廢水處理中的性能評價（如性能/功能、經(jīng)濟(jì)性、再生性等）至關(guān)重要，決定了其實際應(yīng)用效果、適用性、效率和可持續(xù)性。性能/功能評價有助于評估功能性材料的有效性和可行性，雖然已經(jīng)研究了用于污廢水處理的各種功能材料，但一些材料的合成工藝非常復(fù)雜、合成條件非?？量蹋焕诖笠?guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用。此外，一些材料在污廢水處理中表現(xiàn)出了良好的性能，但對材料的可重復(fù)使用性和穩(wěn)定性的研究還不夠，對此，需要開發(fā)高活性、穩(wěn)定和重復(fù)使用的環(huán)境功能材料［221］。綜合考慮功能性材料的制備、運營和維護(hù)成本，與污廢水處理效益如廢水凈化程度、資源回收進(jìn)行比較，確定其經(jīng)濟(jì)可行性。研究功能性材料的再生過程，包括物理方法（如熱處理、反沖洗）和化學(xué)方法（如酸堿洗脫），以確定其多次利用的潛力，形成綜合考慮性能、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響和可持續(xù)性等多個方面的優(yōu)勢。

此外，安全、穩(wěn)定、長效、滿負(fù)荷和優(yōu)化的工藝工程技術(shù)是工程應(yīng)用中需要關(guān)鍵考慮的因素。安全性是環(huán)境功能材料應(yīng)用的首要考慮因素，材料必須符合嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，以確保污廢水處理過程不會引發(fā)新的環(huán)境問題或危害人類健康。因此，在材料選擇和工程設(shè)計中，必須充分考慮材料的毒性、生態(tài)風(fēng)險以及處理過程中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。穩(wěn)定性是確保廢水處理過程連續(xù)高效運行的關(guān)鍵因素，材料在處理廢水時必須具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，以抵抗各種污廢水中的化學(xué)物質(zhì)和條件的影響，材料的物理穩(wěn)定性也非常重要，以確保其在操作中不會破損或失效。長效性是指環(huán)境功能材料在一段時間內(nèi)保持高效性能的能力，在實際應(yīng)用中，廢水處理通常需要長期運行，因此材料必須能夠長時間維持其性能，減少維護(hù)和更換的頻率，以降低操作成本。滿負(fù)荷運行是指環(huán)境功能材料能夠在高負(fù)荷條件下有效處理廢水，在某些情況下，廢水中的污染物濃度可能很高，因此，材料必須具有高吸附或催化能力，以應(yīng)對挑戰(zhàn)性的處理條件。工藝工程的優(yōu)化是確保環(huán)境功能材料應(yīng)用的關(guān)鍵，包括反應(yīng)器的設(shè)計、操作參數(shù)的調(diào)整以及材料的制備和再生過程的優(yōu)化。通過綜合考慮安全性、穩(wěn)定性、長效性和滿負(fù)荷等因素，實現(xiàn)污廢水處理工藝的最佳性能，最大程度地減少對環(huán)境的不良影響。

5 結(jié)論與展望

通過對不同元素物質(zhì)的選擇，全面評述了污廢水處理領(lǐng)域最廣泛適用的碳基、硅基和金屬基3大類材料，以此作為主要代表介紹部分新型材料在污廢水處理中的研究進(jìn)展，作為元素化合物的尺度；以液相法、氣相法和綠色合成為代表討論合成方法，在合成材料基礎(chǔ)上賦予材料的重金屬去除、油水分離、有機(jī)物吸附和膜分離相關(guān)的性能，實現(xiàn)功能和質(zhì)量增強(qiáng)的改性，定義為反應(yīng)層面上的尺度；將粉末狀材料工程化的可行性、材料在長期運行中的穩(wěn)定性、不同類型反應(yīng)器中材料使用方式的差異，以及電場、光場和磁場等的協(xié)同效應(yīng)，作為工藝工程與應(yīng)用結(jié)合的尺度。此外，強(qiáng)調(diào)污廢水處理材料產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)和連續(xù)運行的穩(wěn)定性，將“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”作為性能評價的核心原則。隨著科學(xué)技術(shù)、智能技術(shù)的迅速發(fā)展，未來的水處理系統(tǒng)將更加智能化，環(huán)境功能材料可以與傳感器、數(shù)據(jù)分析、精密測量和性能反饋等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)實時監(jiān)測與智能控制的輔助功能，與此同時，需要加強(qiáng)針對新污染物/目標(biāo)污染物的靶向處理策略的研究，真正實現(xiàn)環(huán)境功能材料助力水處理高科技發(fā)展的目標(biāo)。為此，我們認(rèn)為以下幾個方面的探索與實踐顯得尤為重要。

1） 3D打印材料在污廢水處理中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)定制化設(shè)備制造，包括催化劑載體的制造、分離膜的定制化、反應(yīng)器的制造、傳質(zhì)和質(zhì)量傳遞設(shè)備及廢水監(jiān)測裝置等。3D 打印材料在污廢水處理中可以提供高度靈活性和定制化的解決方案，根據(jù)特定的需求精確調(diào)控設(shè)備材料的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高處理效率，降低污廢水處理設(shè)備的成本和維護(hù)難度。

2） 智能工藝和智慧管理。智能工藝集成了自適應(yīng)工藝控制、多傳感器監(jiān)測、大數(shù)據(jù)驅(qū)動和自動故障檢測等功能，將現(xiàn)代科技與污廢水處理過程相結(jié)合，通過實時數(shù)據(jù)分析、自動化控制和高級算法，提高水處理的效率、可靠性和可持續(xù)性。智慧管理系統(tǒng)將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于污廢水處理廠的運營管理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制、數(shù)據(jù)記錄和存儲、自動控制和歷史數(shù)據(jù)分析優(yōu)化的一體化平臺，減少資源浪費和環(huán)境污染。

3） 群體感知和信息診斷。群體感知通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測大規(guī)模污廢水處理廠的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的智能化。信息診斷則通過數(shù)據(jù)挖掘、模型預(yù)測、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等高級技術(shù)，解決污廢水處理系統(tǒng)問題并進(jìn)行性能評估，增強(qiáng)系統(tǒng)優(yōu)化管理。群體感知和信息診斷的結(jié)合使污廢水處理廠變得更加智能化和自動化，不僅提高工程系統(tǒng)的實時性能監(jiān)測，還可以預(yù)測未來的問題，減少維護(hù)和停機(jī)時間。

4） 場域效應(yīng)和量子探針。在多相多目標(biāo)的污染控制中，利用場域效應(yīng)增強(qiáng)廢水處理過程中的物質(zhì)分離和污染物降解/分解。量子探針的高精度和選擇性使其可用于實時監(jiān)測污廢水中的水質(zhì)參數(shù)、定量各種有機(jī)和無機(jī)污染物的瞬態(tài)特征，即通過交叉學(xué)科的方法技術(shù)可以提高各類污染物的控制效率和管理精度。