综述：清洁水的绿色解决方案：天然材料在污染物检测与去除中的应用

本综述系统探讨了利用植物基吸附剂、农业与工业生物废料、天然聚合物、黏土、藻类及微生物生物质等绿色材料进行水处理的最新进展，涵盖吸附、光催化降解、膜过滤、生物基絮凝及生物修复等多种策略，并整合了低成本便携式传感技术（如比色、电化学与荧光生物传感器），为可持续、分散式水净化方案提供创新视角。

　　

1. 引言

全球水污染危机因工业化、城市化与农业扩张而加剧，超过20亿人日常饮用受污染水，每年导致近48.5万人死亡。传统水处理技术如化学混凝、活性炭吸附与膜过滤存在高能耗、二次污染与成本高昂等局限。绿色材料以其生物可降解性、生态安全性与成本效益成为可持续水处理的重要替代方案，符合绿色化学与循环经济原则。

2. 水污染物概述

水污染物包括无机污染物（如铅、汞、砷等重金属）、有机污染物（如农药、药物残留）、生物污染物（如病原菌、病毒）、微塑料及新兴污染物（如PFAS、内分泌干扰物）。这些污染物通过工业排放、农业径流与生活污水进入水体，对生态系统与人类健康构成严重威胁。

3. 绿色/天然材料在水处理中的应用

3.1 植物基材料

辣木（Moringa oleifera）种子中的阳离子蛋白作为天然混凝剂，可高效去除浊度与微生物，对病毒与纳米颗粒的去除率超99%。香蕉皮活性宏观复合材料与沙滤系统结合，可有效降低化学需氧量（COD）与浊度。

3.2 农业与工业生物废料

稻壳活性炭（RHAC）与椰壳活性炭（CSAC）具有高孔隙率与表面积，对氟化物、硝酸盐及有机污染物吸附能力强。咖啡渣生物炭对水杨酸、双氯芬酸与咖啡因的吸附容量分别达40.47 mg/g、38.52 mg/g与75.46 mg/g。

3.3 生物聚合物

壳聚糖（chitosan）、海藻酸盐（alginate）与纤维素衍生物因其生物可降解性与功能基团丰富，广泛应用于重金属与染料吸附。淀粉通过交联与接枝改性提升稳定性，其功能化氧化铁纳米复合材料对铅离子去除率可达98%。

3.4 天然黏土与矿物

蒙脱石（montmorillonite）、高岭石（kaolinite）与膨润土（bentonite）通过离子交换与表面功能化高效吸附重金属与染料。铁氧化物改性膨润土对砷的去除率达98%，黏土-生物聚合物复合物增强机械性能与可重复使用性。

3.5 藻类与微生物生物质

微藻（如Chlorella vulgaris、Spirulina platensis）与微生物（如Bacillus subtilis、Aspergillus niger）通过生物吸附与生物降解去除重金属、染料与药物残留。藻-细菌联合系统在连续流反应器中展现协同污染去除能力。

3.6 绿色衍生纳米材料

碳点（CDs）、纳米纤维素与生物合成金属纳米颗粒（如AgNPs、AuNPs）用于传感与催化。植物提取物合成的银纳米颗粒通过比色变化检测汞离子，检测限达70 nM。纳米纤维素基膜与气凝胶在染料与油污去除中表现优异。

4. 污染物检测的绿色材料技术

4.1 传感机制原理

绿色材料通过比色、电化学、荧光与表面增强拉曼散射（SERS）机制实现污染物检测。植物色素（如花青素）与生物合成纳米颗粒提供高灵敏度与选择性。

4.2 植物提取物与生物染料的比色传感器

红卷心菜花青素传感器检测氨氮，变色范围2 mg NH₃-N/L。植物合成银纳米颗粒用于多金属离子同步检测，智能手机集成平台实现铝离子现场分析。

4.3 荧光与光致发光纳米材料传感

生物质衍生碳量子点（CQDs）与石墨烯量子点（GQDs）通过荧光猝灭检测重金属，对Fe³⁺检测限达0.28 μM。功能化CdTe量子点对Cr³⁺、Pb²⁺与Cu²⁺的检测限低至10^?14 M。

4.4 天然聚合物与生物模板的电化学生物传感器

壳聚糖-金属氧化物复合材料修饰电极对铅(II)检测限达0.9 ppb。多壁碳纳米管（MWCNTs）与β-环糊精复合物实现高选择性电化学传感。

4.5 纸基微流控与PAD器件

折叠式纸器件集成植物染料，检测硝酸盐限值0.5 mg/L。智能手机辅助平台同步分析多种重金属，检测限达μg/L级。

4.6 生物源纳米颗粒的SERS技术

磁性-等离子体生物纳米复合材料通过SERS检测有机染料与药物分子，增强因子高且可重复使用。

5. 污染物去除的绿色材料策略

5.1 吸附法

植物废料（如锯末、果皮）与微生物生物质通过物理吸附、离子交换与络合作用去除污染物。改性生物炭与黏土复合材料提升吸附容量与循环稳定性。

5.2 光催化降解

植物提取物合成ZnO与AgNPs在可见光下降解四环素与偶氮染料。藻类衍生TiO₂-石墨烯复合材料对结晶紫的降解效率高。

5.3 天然组分膜过滤

壳聚糖、纤维素与海藻酸盐膜通过功能化与纳米复合增强污染物截留与抗污染性。GO-ZnO改性聚酰胺膜提升脱盐性能。

5.4 生物基混凝-絮凝

辣木种子与仙人掌黏液作为天然混凝剂，浊度去除率超97%。单宁基产品（如Tanfloc）有效去除色度与有机物。

5.5 生物修复：微生物降解与植物修复

Geobacter metallireducens还原铀与钒，Phanerochaete chrysosporium降解复杂有机物。水生植物（如Eichhornia crassipes、Azolla pinnata）积累重金属与降解染料。

6. 绿色水净化的最新进展与混合策略

绿色纳米复合材料（如壳聚糖-TiO₂、生物炭-nZVI）实现吸附-催化协同作用。传感-修复一体化平台通过实时监测触发处理，如石墨烯氧化物-多酚材料同步检测与吸附重金属。吸附等温线（Langmuir与Freundlich模型）与动力学研究优化材料设计。

7. 环境影响、生物可降解性与生命周期评估（LCA）

聚乳酸（PLA）与壳聚糖的全球变暖潜能（GWP）低于传统材料，但农业投入与化学试剂使用可能增加水体富营养化与生态毒性。生物可降解性在工业堆肥条件下良好，但需关注自然环境中持久性。LCA强调过程优化与循环设计以降低整体影响。

8. 监管 landscape 与新兴技术策略

现有框架（如WHO、EPA标准）缺乏针对生物基材料的明确指南。标准化降解性、生态毒性测试与认证体系需建立，以推动市场应用。

9. 挑战与限制

材料季节性变异、规模化生产一致性、长期稳定性与再生成本是主要障碍。生物基纳米材料的环境归宿与毒性需深入评估。经济可行性需通过废物增值与能源整合提升。

10. 未来展望与研究方向

多污染物智能传感器、AI-IoT实时监控、海洋生物质探索与仿生材料设计是重点。政策支持与产学研合作加速技术转化，循环经济框架推动资源循环利用。

11. 结论

绿色材料在水处理与传感中展现高效性与环境兼容性，实例如辣木混凝剂、生物炭过滤器与藻类生物反应器已进入试点应用。未来需解决可扩展性、监管合规性与成本问题，通过创新材料与智能技术实现可持续水管理。