化学科学保障清洁水可持续获取：污染预防、循环水经济与纳米材料前沿

《RSC Sustainability》：How the chemical sciences can ensure sustainable access to clean water for all needsOpen Access

　　

年度征文竞赛“化学科学促进可持续性中的青年之声”已完成第四年。该竞赛吸引了来自全球逾200份参赛作品，创历史新高，获奖论文发表于本期RSC Sustainability。竞赛由国际化学科学发展组织（IOCD）组织和管理，由英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry, RSC）赞助。其旨在突出化学科学在促进可持续性中的作用，并鼓励青年通过探索科学方法应对可持续性挑战的相关性来发展和表达观点。2026年IOCD征文竞赛主题为：化学科学如何确保所有人对清洁水的可持续获取？

竞赛面向截止日期（2026年3月31日）时年龄低于35岁的参赛者。IOCD组建全球志愿评估团队对论文进行评估，本年度基于质量和主题相关性选出38篇论文作为入围作品。在此基础上，评分很高的论文被选为区域获奖者，区域按世界银行（World Bank）年度地理分类定义。2026年竞赛共选出六名区域获奖者，北美区域未选出获奖者。

世界已从反复出现的短期、重复性“水危机”状态转向“水破产”（water bankruptcy）状态。在此背景下，2026年六名区域获奖者的论文讨论了与确保清洁水可持续获取挑战相关的化学多个方面。如下文总结，其覆盖许多共同点——强调需要从线性“取水—制水—用水—排放”模式转向一种系统设计，除修复已污染水体之外，避免水道污染、优化可持续取水和废水处理，并使水能够用于多种目的。为说明化学可发挥的材料管理作用，这些论文涉及磷回收与循环、锂采矿中的水管理、持久性有机化学品去除、细菌消毒以及与净化水分离技术相关的材料科学进展。讨论的方法包括高级氧化、光催化、电催化和压电催化，重点关注新型纳米材料在更可持续、更低能耗过程中有望发挥的作用。

该文为2026年IOCD征文竞赛的区域获奖论文导言与综述。研究背景是全球水问题已由反复出现的短期“水危机”转向“水破产”，清洁水可持续获取成为化学科学必须回应的重大挑战；既有水处理与利用模式多呈线性“取水—制水—用水—排放”特征，常偏重污染发生后的修复，且传统净化技术如蒸馏、反渗透和氯化等虽可实现大规模净化，却存在能耗高、可及性不足、污染物持久及水—能源关系不可持续等问题。竞赛旨在突出化学科学在可持续性中的作用，鼓励青年探索科学方法应对清洁水获取挑战。研究人员组织并管理该竞赛，评估全球逾200份参赛作品，选出38篇入围论文及六名区域获奖者，并汇总其关于污染预防、循环水经济、材料管理、废水处理与回用、资源回收、纳米材料与催化净化等方面的观点。该文得出的核心结论是：化学科学的作用需由反应性去除转向前瞻性材料管理和污染前干预，并通过循环水系统、可持续提取、废水处理与回用、去中心化自供电系统及自适应纳米材料等路径，促进清洁水可持续获取；其意义在于为化学科学参与水资源可持续治理提供多区域、多技术路线的框架性认识，同时指出成本、放大、安全、政策、监管和社会政治因素等障碍。

关键技术方法概述（不超过250字）：该文为竞赛导言与综述，不涉及单一实验、试剂、培养或质粒构建，也未涉及样本队列。所汇总论文涉及的关键技术包括：快速化学传感；金属有机框架（MOFs）选择性吸附与再生；先进氧化过程（AOPs）、光催化、电催化和压电催化；膜蒸馏结晶（MDCr）；纳滤、纳米材料膜分离及石墨烯、MOFs、MXenes等纳米材料；碳点传感与催化功能集成。

研究结果如下。Muhammad Sarkawi（东亚与太平洋）：通过磷（P）案例及化学传感、MOFs吸附等讨论，提出化学应从反应性去除转向前瞻性材料管理，在生态危机前早期干预以维持平衡和恢复养分循环；磷的生物地球化学流已超过行星边界框架（Planetary Boundaries framework）识别的安全操作限，现有响应偏重失衡后修复而非危机前预防；MOFs作为高选择性、高效且可再生的吸附剂，可促进处理废水回补清洁水供应，磷酸盐回收有助于其作为肥料的循环利用。Miguel-Jorge Reig-Valor（欧洲与中亚）：通过循环水系统、分析化学、材料科学、AOPs和光催化等讨论，指出循环水需以分析化学为基础检测和表征不断增多的污染物；分离技术、AOPs产生的羟基或硫酸根自由基以及太阳能光催化可高效降解农药、药物和酚类衍生物等持久性有机物；但成本、实验室创新产业化放大及社会政治因素构成障碍，数字化、低成本传感器和先进控制策略支持的去中心化处理系统是农村或低基础设施区域的方向之一。Diego Mirabal Castillo（拉丁美洲与加勒比）：通过锂三角（Lithium Triangle）地区阿尔蒂普拉诺—普纳高原（Altiplano-Puna plateau）锂采矿案例讨论MDCr，得出该过程可回收高达95%的盐卤水含量，将盐卤处理时间由太阳能蒸发池约24个月缩短至数天，并在显著较低温度下运行；太阳能加热技术可降低单位能耗并促进NaCl等其他盐回收，工业放大后回收水经进一步净化可能用于当地农业、牲畜乃至人类消费。Muhammad Madni（中东与北非）：通过常规净化能耗与可及性问题讨论去中心化自供电化学系统，指出AOPs产生的活性氧物种（ROS）等反应性中间体可降解污染物并灭活病原体，但多数AOPs依赖紫外照射或电能；压电催化利用非中心对称晶体结构压电材料中的诱导电荷分离，在材料表面驱动氧化还原反应，可在自然机械力下连续运行，适合流水系统、管道和天然水体等去中心化应用；其设想将压电材料与碳点传感及催化功能集成的混合净化平台。Saibalendu Sarkar（南亚）：通过纳米化学用于废水处理（WWT）讨论吸附、纳滤、光催化和消毒，石墨烯、MOFs和MXenes等材料可实现高水通量、优异离子截留和改善纳米多孔膜抗溶胀性；光催化利用纳米结构增强光吸收和电荷分离，促进污染物降解、染料去除、细菌消毒和硝酸盐降低；全球水与WWT市场预计到2028年达5158亿美元，可带来与多项可持续发展目标（SDG）一致的社会经济收益，但经济、技术、环境和监管障碍仍限制大规模实施。Ikenna Sebastian Okechukwu（撒哈拉以南非洲）：通过自适应纳米材料讨论将水安全与化石能源脱钩，批评反渗透等传统方法为“过时的蛮力方法”，形成处理水需能源、产能常需水的不可持续水—能源关系；传统有机污染物去除只是将其转移至吸附剂（如碳）而非破坏，吸附剂处置会增加温室气体排放和环境污染；其提出两类“英雄系统”，一是将MOFs等自适应纳米材料用于膜以实现按当地需求定制的分子分离并在更温和条件下降低能耗，二是用纳米级电催化剂降解水源中的“永久化学品”（forever chemicals）；两类系统有望在环境条件下净化水并促进水循环，但可扩展性、安全性、政策和循环性仍是实验室走向广泛应用需克服的挑战。

讨论部分总结：六篇获奖论文从不同区域和案例表明，化学科学应在清洁水可持续获取中承担材料管理与循环水经济角色，重点由污染后修复转向污染前预防、可持续提取、废水处理与安全回用、资源回收和公平水治理；技术路线涵盖磷回收、锂采矿水管理、持久性有机物去除、消毒、分离材料、AOPs、光催化、电催化、压电催化及新型纳米材料。结论性表述可翻译概括为：化学科学能够通过多类化学与材料策略促进清洁水可持续获取，但将实验室创新推向广泛应用仍受成本、放大、安全、政策、监管和社会政治因素制约；2027年IOCD与RSC征文竞赛已在本期启动。