综述：用于水和废水处理的热敏材料的最新进展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Recent Advances in Thermoresponsive Materials for Water and Wastewater Treatment

本文系统综述近五年温敏材料在水处理中的应用，涵盖吸附、膜过滤、催化降解等机制，重点分析PNIPAM等材料对抗生素、重金属、有机染料的多污染物高效去除特性（最高去除率达97%），探讨LCST/UCST调控技术的环境友好优势，并指出纳米材料毒理、材料规模化制备及经济性挑战，提出未来需结合低品位废热优化相变温度，拓展资源回收集成工艺。

　　随着工业革命的快速发展，现代生活得到了显著提升，但与此同时，废水排放量也大幅增加。全球人口的持续增长和对清洁水源需求的上升，使得废水处理和水净化的重要性愈发凸显。为了应对这一挑战，研究人员不断探索创新性的解决方案，其中，热响应材料因其选择性、智能化行为以及在处理过程中的可重复利用性而受到广泛关注。本文对过去五年内热响应材料在水和废水处理中的应用进行了全面且批判性的综述，涵盖多种材料类型，如智能聚合物、寡聚物、有机溶剂、金属-有机框架、离子液体、磁性离子液体、盐类以及可切换的深共熔溶剂等。这些材料在吸附、膜过滤、催化降解、絮凝、提取/相分离、吸收以及蒸发-冷凝等多种处理机制中展现出良好的性能。此外，本文还探讨了热响应材料在实际应用中所面临的挑战，并展望了其未来的发展方向。整体而言，这一深入分析揭示了最新的技术进展，为未来在智能、可持续水处理方案上的研究和技术革新提供了宝贵的参考。

全球水资源短缺问题正变得日益严峻，主要由于不可持续的资源利用、气候变化以及工业化的加速推进。在过去的一个世纪里，全球对水的需求增长了600%，年均增长率为1.8%。根据联合国支持的预测，到2030年，全球可能面临40%的淡水资源缺口。到2050年，预计全球近一半的城市人口将生活在缺水地区。尽管研究人员在控制水污染和维持水质方面做出了巨大努力，但寻找替代水源对于满足日益增长的淡水资源需求至关重要。然而，这些替代水源往往含有有害的污染物，例如重金属、稀土金属、有机污染物（包括油类、酚类化合物、染料、农药、个人护理产品、抗生素、全氟烷基和多氟烷基物质、全氟辛酸和蛋白质）、微生物污染物（如细菌、微藻）以及微米和纳米级污染物（如微塑料、纳米颗粒）。一些研究尝试从海水或空气湿度中获取水资源，但这些水源也可能含有杂质，不适合直接使用。因此，对水和废水进行有效处理，以增强水资源安全，推动可持续的资源管理实践，是实现更加稳健和公平的水资源未来的重要环节，这也与联合国可持续发展目标6（清洁水和卫生设施）相一致。

传统的水和废水处理技术包括生物修复、凝聚、絮凝、过滤和消毒等，但它们在应对新兴污染物的去除方面面临更大挑战。这些技术通常无法有效去除广泛范围内的污染物。近年来，各种先进的处理技术得到了发展，如吸附、膜过滤、催化降解、化学氧化、臭氧处理、电渗析和浮选等。一些关于废水处理技术的研究已对它们的优势和局限性进行了总结。最近，研究人员将注意力转向了刺激响应型智能材料，因为这些材料能够提高分离效率，并表现出显著的可回收性。刺激响应型智能材料对多种外部刺激如pH值、温度、光、溶剂和气体等具有反应性。特别是热响应材料，因其响应条件较为温和且能耗较低而备受关注。这种特性可以通过调节相变温度（接近室温）以及利用现场产生的低品位废热来优化。此外，热响应材料在生物医学领域也得到了广泛应用，包括药物输送、生物芯片、执行器和电化学传感器等。总体而言，热响应材料在加热或冷却到低临界溶解温度（LCST）或高临界溶解温度（UCST）时，会表现出显著且不连续的溶剂性和其他物理化学性质的变化。

在水和废水处理领域，大多数关于热响应材料的研究主要集中在LCST聚合物上，因为它们的合成相对容易，并且可以通过温度调节来控制处理效率。例如，热响应材料在低于LCST的温度下表现出亲水性，可以有效地从废水中吸收水分；而在高于LCST的温度下，它们则释放水分。此外，这些材料还能有效吸附和释放污染物，当环境温度低于或高于LCST时，其性能表现尤为突出。为了验证热响应材料在真实废水中的处理效果，并优化其在更大规模系统中的应用，以及证明其经济和环境效益，中试规模的测试至关重要。Ahmed等人的一项研究评估了使用基于LCST的聚电解质抽提溶液（DS）在正向渗透（FO）中试海水淡化系统中的技术可行性，该系统具有每日10立方米的处理能力。研究团队报告称，从FO中试植物中产出的处理水质量较高，并且表明FO技术可以作为一种替代的海水淡化方法。FO中试系统展示了显著的硼去除效果，将硼的浓度从2.75毫克/升降至0.24毫克/升，这是单级反渗透（RO）过程通常难以达到的。近年来，一些研究还探索了对热响应材料的改性，包括使用新型单体、添加纳米材料以及引入催化功能，以应对各种类型的新兴废水，如锂离子电池渗滤液、微藻废水、铀废水和抗生素废水等。毫无疑问，纳米材料在水和废水生态系统中的广泛应用已经引发了全球范围内的关注，因为它们可能对人类健康和环境产生潜在的毒性。纳米材料的大小、形状、表面电荷和组成等因素都会影响其毒性。关于纳米材料在健康关注/毒性、环境风险、缓解策略、处置技术和监管框架等方面的综述已被广泛讨论。基于对热响应材料的研究趋势，本文将重点探讨五种主要类型的水和废水处理：抗生素废水、重金属/稀土废水、有机染料废水、酚类/内分泌干扰物废水以及海水淡化。已有研究报道，使用热响应材料可以实现对抗生素废水（如环丙沙星、四环素、磺胺嘧啶）中污染物的高去除率（60-90%），对重金属/稀土废水（如镉、铜、锌、铅、铬、铀）的去除率可达70-97%，对有机染料废水（如罗丹明B、尼罗红、反应红）的去除率高达80-100%，而对酚类/内分泌干扰物废水（如苯酚、双酚A、雌激素）的去除率也达到74-95%。

图1（a）展示了从ScienceDirect数据库中提取的与关键词“thermoresponsive AND wastewater”相关的年度论文数量。从图中可以看出，研究论文和综述论文的数量呈指数级增长，这表明学术界对热响应材料在水和废水处理中的应用充满热情。图1（b）进一步展示了与所选关键词相关的五个主要学科领域，包括（1）化学工程、（2）材料科学、（3）环境科学、（4）化学、（5）生物化学、遗传学和分子生物学等。目前，大部分研究论文发表在化学工程（30.87%）、材料科学（18.21%）、环境科学（15.83%）和化学（13.72%）领域；然而，综述论文则主要发表在化学（20.90%）、材料科学（19.62%）、化学工程（16.84%）和环境科学（14.29%）领域。现有的综述文章主要描述了热响应材料在分离科学领域的设计、合成、物理化学性质和功能。因此，有必要从化学工程和环境科学的角度对所选关键词进行回顾，以应对工业和环境挑战，推动清洁工业过程和废水处理解决方案的创新。这包括在环境化学工程领域开发新型热响应材料，特别是用于水处理、真实废水处理、规模化、经济性和能耗，以及资源回收等方面。

目前，关于热响应材料在废水处理中的应用，仅有少数综述文章。例如，Xu等人主要关注了基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的热响应微凝胶和水凝胶在水净化中的应用，而实际上还有许多其他类型的热响应材料可以用于废水处理。另一方面，Mohd Bakri等人则重点研究了热响应水凝胶膜在微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）中的应用，尽管还有其他处理技术可以借助热响应材料进行改进。为了弥补现有文献的不足，本文旨在对常见的热响应材料进行批判性回顾，并特别关注其在吸附、膜过滤、催化降解、凝聚-絮凝等技术中的应用。

热响应材料，也被称为温度响应材料或热敏材料，是一种能够根据周围温度变化而改变其物理化学性质的智能材料。在水和废水处理领域，这类材料因其独特的性能而受到学者们的广泛关注。根据相变发生的温度，热响应材料可分为两种类型：一种是低临界溶解温度（LCST）材料，另一种是高临界溶解温度（UCST）材料。LCST材料在温度低于临界值时表现出亲水性，而当温度高于临界值时则变得疏水。UCST材料则在温度低于临界值时呈现疏水性，而当温度升高时变得亲水。这种温度依赖性的相变行为使得热响应材料在废水处理中具有独特的应用潜力。例如，在较低温度下，这些材料可以有效地吸附污染物，而在较高温度下则可以将其释放，从而实现污染物的高效回收。这种特性不仅提高了处理效率，还减少了传统处理方法中对化学试剂和能源的依赖，降低了处理成本和环境负担。

在废水处理过程中，热响应材料的应用主要依赖于其对污染物的吸附能力。吸附是一种广泛应用的污染物去除技术，其原理是通过污染物在吸附剂表面的聚集来实现去除。传统的吸附技术通常依赖于活性炭等材料，但这些材料在实际应用中存在一些局限性，例如成本较高、处理效率受限以及可能对环境造成二次污染。相比之下，热响应材料在吸附性能上表现出更高的灵活性和选择性，能够根据温度变化调整其结构和性能，从而更有效地去除特定类型的污染物。例如，某些热响应材料在低温下可以形成疏松的结构，增加其表面积，提高吸附能力；而在高温下则可以恢复其原有形态，便于材料的回收和再利用。这种温度调控的特性使得热响应材料在处理复杂废水时具有显著优势。

除了吸附，热响应材料还可以用于膜过滤技术。膜过滤是一种通过物理屏障将污染物从水中分离的技术，其关键在于膜材料的选择和优化。热响应材料在膜过滤中的应用主要体现在其能够根据温度变化调整孔隙结构和表面性质，从而提高过滤效率。例如，某些热响应膜材料在低温下具有较大的孔隙，允许水分子通过，而在高温下则会收缩孔隙，阻止污染物的通过。这种温度依赖性的孔隙变化使得热响应膜在处理不同类型的废水时能够实现动态调节，提高处理的灵活性和适应性。此外，热响应材料还可以与其他技术相结合，如催化降解，以实现更高效的污染物去除。例如，某些热响应材料可以作为催化剂载体，在特定温度下释放催化剂，从而加速污染物的分解过程。这种协同作用不仅提高了处理效率，还减少了催化剂的使用量和成本。

在处理有机污染物方面，热响应材料表现出良好的性能。有机污染物如油类、染料、农药等通常具有较强的疏水性，难以通过传统的物理或化学方法去除。而热响应材料能够通过其温度依赖性的亲疏水转变特性，有效吸附和分离这些污染物。例如，在低温下，热响应材料可以形成亲水结构，增强其对水溶性有机污染物的吸附能力；而在高温下则可以释放这些污染物，便于后续的回收和处理。这种特性使得热响应材料在处理含油废水和染料废水时具有显著优势。此外，一些研究表明，热响应材料还可以用于处理抗生素废水，其中含有多种难以降解的有机化合物。通过调节温度，这些材料能够有效地吸附和降解抗生素，提高处理效果。

在处理重金属和稀土金属废水方面，热响应材料同样表现出良好的性能。重金属如镉、铜、锌、铅、铬和铀等通常具有较强的毒性，对环境和人体健康造成严重威胁。传统的处理方法如沉淀、离子交换和吸附等虽然在一定程度上能够去除这些金属，但存在效率低、成本高和二次污染等问题。而热响应材料能够通过其独特的物理化学性质，如表面电荷变化和孔隙结构调节，提高对重金属的吸附能力。例如，某些热响应材料在特定温度下能够形成带有负电荷的表面，从而与重金属离子发生静电吸附作用，提高去除效率。此外，一些热响应材料还能够通过其催化特性，促进重金属离子的氧化还原反应，从而实现更彻底的去除。

在处理微塑料和纳米颗粒等微米和纳米级污染物方面，热响应材料也展现出独特的潜力。微塑料和纳米颗粒由于其体积小、表面积大，容易在水体中扩散，对生态环境和人体健康造成潜在威胁。传统的过滤技术在处理这些微小颗粒时存在一定的局限性，而热响应材料可以通过其温度依赖性的结构变化，提高对微塑料和纳米颗粒的捕获能力。例如，某些热响应材料在低温下能够形成较大的孔隙，便于微塑料的吸附；而在高温下则可以收缩孔隙，防止颗粒的释放。这种动态调节的特性使得热响应材料在处理微米和纳米级污染物时具有更高的效率和选择性。

尽管热响应材料在水和废水处理中展现出诸多优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，热响应材料的合成和制备仍需进一步优化，以实现更精确的相变温度控制。目前，许多热响应材料的相变温度范围较宽，难以满足特定处理条件的需求。此外，材料的稳定性和耐用性也是影响其实际应用的重要因素。一些热响应材料在高温或低温环境下可能会发生结构破坏，导致性能下降。因此，需要开发具有更高稳定性和耐久性的热响应材料，以适应不同的处理环境。

其次，热响应材料的规模化生产和应用仍存在一定的技术障碍。尽管实验室规模的实验已经证明了热响应材料在废水处理中的有效性，但将其推广到实际工业应用中仍需克服许多挑战。例如，如何在大规模生产过程中保持材料的性能一致性，如何降低生产成本，以及如何确保材料在实际处理过程中的可回收性和再利用性，都是需要解决的问题。此外，热响应材料在实际应用中的能耗问题也需要进一步优化。虽然其响应条件较为温和，但在某些情况下，仍然需要额外的能源来调节温度，这可能会增加处理成本。

最后，热响应材料在实际应用中的环境和健康风险也需要引起重视。虽然这些材料在处理污染物方面表现出色，但其长期使用和处置可能会对环境和人体健康产生潜在影响。例如，某些热响应材料在高温或低温环境下可能会释放有害物质，或者在处理过程中产生新的污染物。因此，需要对热响应材料的环境影响进行全面评估，并制定相应的安全使用和处置规范。

综上所述，热响应材料在水和废水处理中具有广阔的应用前景，但其在实际应用中仍需克服一系列挑战。通过进一步的研究和技术改进，热响应材料有望成为未来可持续水处理解决方案的重要组成部分。这不仅有助于提高废水处理的效率和经济性，还能减少对环境的负面影响，为实现清洁水和可持续发展提供有力支持。