综述：水、固体及空气生态系统环境处理技术综述

《Processes》：An Overview of Environmental Technologies for Treating Aquatic, Solid, and Air Ecosystems

　　

摘要：在讨论如何使地球成为更美好、更安全的居住环境时，环境保护以及必须采取的清洁空气、水、固体废物及人类活动（主要是工业活动）造成的其他诸多问题的行动，始终被不同机构列入议程。除处理工业废物外，环境处理设施还致力于提高工业运营的可持续性。这些环境处理设施之所以引人关注，是因为其可经过特别设计，以满足环境控制的三大基本理念：许可、检查和监测。因此，科学家们开始寻找创新、可靠且安全的空气、水和土壤净化方法，这些方法应消耗更少的能源和资金、使用更少的化学品，并具有更低的环境负面影响。在此框架下，本综述旨在概述环境处理科学领域中开展的相关研究，以帮助环境处理厂的专业人员制定有效的工程方案，使污染削减与自然资源（如能源和水）的合理利用协同运作，从而最大化设施的利用效率。最重要的是，采用符合国家和国际环境监测标准的仪器至关重要。这既能确保对污染性排放物进入环境进行精确调控，又能确保资源的最优利用、高效生产以及废物的削减或再利用。

2. 化学工程中的环境处理技术

随着人类在追求进步与发展中不断前行，环境保护的必要性已成为几乎世界各国政策中的指导原则。环境研究与化学工程在这一范式转变中发挥着基础性作用。通过将环境考量整合到工业过程中，化学工程师能够在最小化生态影响的同时为可持续发展做出贡献。以下主题涉及环境研究，这些研究对于化学工程项目的实施至关重要，因为它们能够保证环境保护与人类进步共存。

2.1. 大气污染

大气污染是指空气污染物对地球大气层的改变，其来源包括工业过程、机动车排放、发电、农业活动等人类活动以及自然源。污染物分为一次污染物和二次污染物：一次污染物直接排放，如颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、挥发性有机化合物（VOCs）和有害空气污染物；二次污染物是一次污染物与大气组分反应生成的产物，如臭氧、硝酸、硫酸和二次有机气溶胶。主要污染物包括硫氧化物（SO_x）、氮氧化物（NO_x）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOCs）、可吸入颗粒物及其他有毒污染物。污染物在大气中的扩散受温度、风速、高低压系统运动及地形等因素影响。控制技术包括旋风除尘器、静电除尘器、活性炭、催化转化器和生物过滤器。相关国际协议包括《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》。表1中列举了对主要污染气体的降解或捕集研究，其中Arias等人研究了气相电化学系统中H₂S的直接电氧化，采用膜电极组件（MEA）反应器，评估了电流密度和入口流量对硫形态的影响。

2.2. 污染水体的高级处理

高级氧化过程（AOPs）是产生高活性物种（如羟基自由基•OH）的替代处理方法，能够氧化和降解多种有机污染物。AOPs的特点是部分或完全将污染物转化为二氧化碳、水、无机阴离子或更易被常规技术降解的低毒物质。常见方法包括化学法（Fenton过程）、光化学法（H₂O₂/UV、O₃/UV、光-Fenton、多相光催化）、声化学法以及电化学方法（阳极氧化（AO）、电-Fenton（EF）、光电-Fenton等）。羟基自由基通过夺氢反应氧化有机物，引发链式反应，最终生成CO₂、水和无机盐。AOPs具有强氧化能力、污染物矿化、操作条件温和等优点，但存在经济限制，如UV辐射源成本高。Paix?o等人研究了一种太阳能驱动的混合电化学氧化过程，在阳极室将木质纤维素生物质转化为增值化合物，在阴极室产生绿色氢气。

2.3. 吸附去除污染物

吸附是重要的水处理技术，利用固体表面吸附去除水中杂质。吸附材料包括活性炭、沸石、离子交换树脂、金属有机框架（MOFs）、粘土和生物炭。活性炭具有大比表面积和多孔结构，可去除酚类、芳香烃和挥发性有机物；沸石可去除铵离子和重金属；离子交换树脂去除钙、镁、铁、锰等离子；MOFs具有大比表面积和可调孔隙率，但稳定性和导电性有限，可通过与导电纳米粒子复合改善；粘土成本低，电化学再生效率超过100%；生物炭是生物质热解副产物，但其吸附能力受含氧官能团影响。吸附可通过批式法、吸附柱和流化床等方式实施。Mello等人将吸附与电化学处理结合：使用颗粒活性炭（GAC）吸附苯，再用甲醇脱附形成高浓度溶液，最后用掺硼金刚石（BDD）电极进行电化学氧化处理。

2.4. 纳米技术处理污染水体

纳米技术为水处理提供了模块化和多功能的解决方案。电化学传感器在环境监测中具有灵敏度高、响应快、便于小型化等优点，比色谱和光学技术成本更低、操作更简便。Aquino de Queiroz等人利用废弃电脑微芯片制备金微电极阵列（Au-μEA），通过电化学还原氧化石墨烯（ERGO）修饰电极表面，构建了用于检测异烟肼（INH）的可回收微型电分析传感器。

2.5. 环境可持续性在化学工程中的应用

可持续性已成为现代化学和环境工程的核心原则。天然生物聚合物（如多糖和蛋白质）具有丰富、可再生和可生物降解的特点，可用于制备可食用薄膜和涂层，替代合成塑料。这些生物膜可用作食品包装，控制气体交换、延长保质期。为提高其机械和阻隔性能，可加入剥落粒子形成纳米复合材料。Oliveira等人以明胶、木薯淀粉和玉米淀粉为基材，添加蜂蜡作为疏水剂制备生物聚合物薄膜，并将其涂覆在番石榴上，在15 °C ± 2 °C、90% ± 2%相对湿度下储存15天，评估了薄膜的机械、表面、形态和阻隔性能。

2.6. 膜技术及其在环境领域的应用

膜分离技术具有无相变、高效率、低碳足迹和低二次污染等优点，广泛应用于脱盐、水净化、污染修复和资源回收。二维（2D）纳米材料，如氧化石墨烯（GO）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和MXenes，可用于构建高选择性层状膜。GO膜具有含氧官能团和可调的层间距，但纯GO膜渗透通量低，可通过插入SiO₂、碳纳米管等纳米材料改善。MOFs由金属簇和有机连接体自组装而成，具有高比表面积和可设计的孔径。COFs是共价键连接的周期性多孔晶体，其孔径可在染料尺寸与水合无机盐离子直径之间调节，适用于染料/盐分离。MXenes的化学式为M_n+1X_nT_x，具有高电导率和丰富表面官能团。Moratalla等人使用加压微流控电化学反应器进行药物降解，采用PtFE层间隔150 μm的电极间隙，阳极是Ti/MMO-IrO₂Ta₂O₅，阴极在电-Fenton（EF）研究中为碳黑（CB）和PTFE涂覆的三维钛网，在电氧化（EO）测试中使用AISI 304不锈钢穿孔板。

2.7. 环境卫生、管理、控制和保护

环境卫生是指将公共支出分配给环境控制措施，旨在解决城市基础设施问题并提高民众生活质量。其活动包括污水处理、公共道路清洁、防洪、垃圾收集和提供高质量处理水等。涉及饮用水处理和分配、污水收集和处理、城市雨水排放、固体废物收集和处置。巴西的相关法律包括《卫生法》、《国家固体废物政策》（PNRS）和《国家水资源政策》。未处理废水会污染地下水、土壤和水源，危害野生动物并减少饮用水供应。表7展示了与国家卫生操作相关的专利，其中一项发明涉及利用生物质或有机废物通过气化生产合成气，再经净化和催化合成尿素肥料的可持续工艺。

2.8. 供水天然水分类、饮用标准和水处理技术

原水通过管道输送到水处理厂（ETA），经过物理化学净化达到饮用状态。水质指标包括物理参数（浊度、色度、温度、味和臭、总溶解固体）、化学参数（pH、碱度、生化需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、溶解氧（DO）、硬度、氮和磷、氟化物、游离余氯）和生物参数（总大肠菌群和粪大肠菌群、大肠杆菌）。常规处理步骤包括筛滤、混凝、絮凝、沉淀、过滤、消毒、氟化和pH校正。表8列出了基于现行法规监测饮用水参数的研究，其中涉及电化学氧化降解有机物的研究，比较了BDD阳极和铅基电极的矿化效率。

2.9. 固体废物处理

污染场地的修复方法包括电动学（EK）和可渗透反应屏障（PRB）技术。EK修复通过在污染土壤中施加直流电场，利用电渗、电迁移和电泳作用输送和去除污染物。PRB将反应介质垂直放置在污染地下水流动路径中。研究表明，结合空气吹脱和电动土壤清洗（EKSF）可去除土壤中的苯酚和2-氯苯酚，实验采用两种不同的电场，并定期向密封模型泵入空气以去除污染物。

2.10. 工业固体废物的再利用

工业废物管理包括收集、运输、处理、处置或再利用。废物按来源分为家庭废物、商业废物、工业废物、医院废物、农业废物和特殊废物。再利用方法包括生物浸出（利用微生物氧化硫化物和含铁矿物提取金属）、压榨果皮提取精油、堆肥（有机废物经微生物分解为腐殖质）、回收和逆向物流。Medina-Díaz等人研究了电动辅助植物修复，使用交流电和直流电（带极性反转）两种电场，在废弃Pb/Zn尾矿上种植两种植物，监测土壤固相和水相中金属的迁移模式。

总体而言，环境处理技术具有互补的优势和局限性。电化学高级氧化过程提供高矿化效率，吸附系统提供经济有效的污染物去除，膜技术实现高选择性和资源回收，纳米技术传感器支持精确的环境监测。未来研究应聚焦于提高过程集成、降低能耗、开发可持续材料，以及将监测技术与处理系统整合，以应对日益复杂的污染场景。