可持续发展进展：来自印度的环境工程创新

《ACS ES&T Engineering》：Advances for Sustainable Development: Environmental Engineering Innovations from India

　　

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**主题领域：** 膜、材料、杂质、废物

**特刊**
作为《ACS ES&T Engineering》特刊"可持续发展进展：来自印度的环境工程创新"的一部分出版

## 引言

印度快速的经济发展、城镇化进程和工业增长在创造前所未有的机遇的同时，也带来了重大的环境挑战。与此同时，印度已发展成为环境工程创新领域的全球中心，产出了解决水、大气、废物、资源和气候等关键问题的技术方案，并提供了具有国际借鉴意义的经验。本特刊旨在展示源自印度的前沿工程进展。研究界对此的积极响应充分体现了印度环境工程创新在广度和深度上的水平。本辑文章涵盖了先进水处理技术、环境传感平台、资源回收与循环经济策略、可持续材料与催化体系、气候导向工程方案以及环境生物技术。本特刊中的文章不再将环境挑战视为孤立的问题，而是展示了日益整合化的途径，同时应对污染削减、资源回收、环境监测和气候韧性等议题。这些成果不仅反映了印度可持续发展议程的重点，也体现了全球环境工程的更广泛使命。

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## 1. 可持续水系统：处理、回用与分离技术

水安全仍是快速发展经济体面临的最紧迫的可持续挑战之一。本部分的贡献从互补的角度切入这一问题：系统层面评估、膜启用的处理与回用，以及用于消毒的工程化材料。这些研究共同展示了过程分析、材料工程和系统集成方面的进步如何改善水质、提高资源效率，并增强水基础设施的韧性。在系统层面，Negi和Chandel利用生命周期评价（LCA）和技术经济分析（TEA）评估了替代性废水回收路径，强调了区域特定的生命周期清单对于可信的可持续评估和循环水管理决策的重要性（10.1021/acsestengg.5c00709）。这种更广泛的系统视角得到了若干聚焦膜技术的研究的补充，膜技术仍是可持续水和废水处理的核心。Kumar和Bellare将羧化多壁碳纳米管功能化修饰银纳米粒子，以提高聚砜中空纤维超滤膜的渗透性和抗污性能（10.1021/acsestengg.5c01141）。Kale等人利用生物质来源的纤维素引导热解Cu–BTC金属-有机框架形成自支撑正渗透膜，使其能够在真实工业废水中保持稳定性能（10.1021/acsestengg.6c00153）。Sharma等人采用双重交联和可调烷基间隔基开发了高选择性、抗菌的阴离子交换膜用于盐水处理（10.1021/acsestengg.5c00663），而Srivastava和Swaminathan则表明模块化多效膜蒸馏系统中的进料预加热可显著提高能源效率（10.1021/acsestengg.5c00236）。综合来看，这些贡献展示了印度膜研究日益广泛的领域，涵盖抗污超滤、正渗透、离子交换和膜蒸馏。本部分还从分离和回用延伸至微生物水质保护。Kalra等人报告了一种工程化纳米复合材料，由IL-5功能化的聚乙醇胺（PD5）修饰的银纳米粒子嵌入壳聚糖/聚乙烯醇基质组成。通过结合增强的活性氧生成、抗菌活性和纳米粒子稳定化，该材料能够实现快速微生物灭活，同时最大限度减少催化剂损失，为安全、高效和可持续的水回用提供了一条有前景的途径（10.1021/acsestengg.5c01016）。尽管有效的处理技术构成了可持续水管理的骨干，成功的环境保护日益依赖于快速、灵敏且可现场部署的监测系统。因此，若干贡献聚焦于下一代传感平台，旨在在污染物演变成更严重的环境威胁之前对其进行识别。

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## 2. 环境监测与分析技术

本部分文章聚焦于实现污染物早期检测、持续监测和及时环境管理的传感与分析平台。环境污染物既来源于地球化学来源（如砷和铀），也来源于人为活动（包括农药使用和PFAS等持久性工业化学品的释放）。有效管理依赖于灵敏的监测方法，涵盖基线评估和时间序列评估到实时传感，并得到数据科学、建模和统计分析进步的支撑。此处重点介绍的贡献通过针对日益受到环境和监管关注的污染物的传感技术来回应这一需求。Maity等人报告了一种荧光标记的两亲性聚合物，用于在溶液和固态格式中检测对硝基苯酚——一种已知的环境毒素，基于深度学习模型实现高效比色分析（10.1021/acsestengg.5c00760）。Wanjari等人开发了一种金纳米结构修饰的激光诱导石墨烯平台，以改善淡水来源中PFAS的传感性能，未来有望适应更为复杂的基质如废水（10.1021/acsestengg.6c00094）。Mandal等人提出了一种低成本、多重检测、流体集成的电化学适体传感器，用于低浓度农药检测，为监测与农业相关的基质（如径流水、土壤和作物）提供了可靠途径（10.1021/acsestengg.5c00233）。然而，仅靠检测并不能解决环境挑战。贯穿本特刊的一个反复出现的主题是：将废物和残余流转化为有价值的产品，展示了环境工程如何同时支持污染削减和资源生成。

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## 3. 循环经济、废物增值与资源回收

向循环经济转型依赖于从传统上被视为废物的材料中回收价值的技术和框架。本部分的贡献展示了将工业、农业、市政和消费废物流转化为生物资源、平台化学品、催化剂、营养回收系统和可持续建材相关材料的互补路径。两篇综述将循环资源回收框定为技术和系统层面的机遇。Tiwari和Prajapati在其综述（10.1021/acsestengg.5c00706）中考察了微藻光颗粒作为新兴的自然导向生物技术，将富含营养的水培废水转化为可回收的生物资源。通过整合微生物协同、增强的生物量沉降、低能耗运行和营养吸收，这些系统为可持续水回用和生物资源生成提供了一条有前景的途径。在第二篇综述中，Mahata等人批判性地评估了历史上被视为挑战性废物流的水热碳化过程水作为碳、营养和能源来源的潜力（10.1021/acsestengg.5c01034）。通过联系运行条件、过程水化学和下游增值策略，该研究推进了循环废物管理和碳中和路径的整合框架。Bisht等人的相关观点文章将此讨论延伸至塑料废物、微生物生物技术和建成环境的交叉点（10.1021/acsestengg.6c00214）。通过考量微生物过程是否有助于将塑料残留物转化为与建筑相关的原型或材料，该观点文章将循环经济的框架从传统回收和废物处理中拓展出来，强调了将微生物学、材料工程、基础设施发展和碳意识城市设计相连接的跨学科思维需求。其他贡献展示了废物来源材料如何被工程化设计用于营养回收和可持续再利用。Priya E.等人开发了一种源自废弃生物质基纤维素的可生物降解聚合物杂化吸附剂，用于从二级处理废水中同时回收硝酸盐和磷酸盐。交联纤维素纳米纤维提供结构网络，而水化氧化铁纳米粒子和三丁胺基团分别实现磷酸盐和硝酸盐的选择性吸附。回收后，该材料可作为缓释肥料发挥作用，将废水处理与营养循环相连接（10.1021/acsestengg.5c01128）。废物增值还通过催化转化路径得到了进一步说明。Kashyap等人关于纺织废物增值的研究展示了利用磺化硅催化剂在双相水热系统中将富含纤维素的废弃纺织品直接转化为5-羟甲基糠醛（5-HMF）——一种高附加值可再生平台分子（10.1021/acsestengg.6c00289）。在另一篇贡献中，Chauhan等人将电子废物转化为高性能木质素增值催化剂，展示了从废弃电子产品和其他废物流中回收的材料如何促进有价值的芳烃化学品生产，同时推进可持续催化和资源循环（10.1021/acsestengg.6c00534）。综合来看，这些贡献将废物定位为工程化产品、回收营养素、平台分子、催化体系和潜在新型建筑材料的原料。许多循环经济解决方案依赖于材料科学和催化方面的进步。本特刊中若干研究专门聚焦于工程化新材料以提升修复、分离和资源转化过程。

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## 4. 先进材料、催化与环境修复

创新材料持续推动环境工程应用领域的进步。本部分研究展示了合理的材料设计如何改善污染物去除、实现催化转化，并支持多样的水和废物相关背景下的环境修复。光催化硝酸盐还原为氨为氮回收和氨生产提供了可持续途径，补充了哈伯-博施法等能耗较高的传统路径。Shanmugam等人的贡献中，一支由印度、韩国和德国研究人员组成的国际团队报告了一种含Ce金属-有机框架的设计，该材料能够在可见光照射下将硝酸盐转化为氨。该研究展示了如何通过战略性调节结构和电子组分产生协同效应，从而提升光催化性能（10.1021/acsestengg.6c00134）。Chattopadhyay等人通过Diels–Alder"点击"反应合理开发了多功能多孔聚合物，用于高效去除水基质中的微塑料。该工作突出了Diels–Alder化学生成多功能疏水吸附剂的潜力，适用于动态流系统和三级废水处理，能够在多样的水环境中实现微塑料去除（10.1021/acsestengg.5c00836）。生物修复方法由Goswami等人的研究代表，他们考察了利用废水衍生细菌肠杆菌（Enterobacter asburiae）进行原位砷解毒。该研究表明，少量铁的添加可以改善细菌在严重砷胁迫下的耐受性，实现高毒砷物种向毒性较低形式的转化，从而支持更清洁的水处理策略（10.1021/acsestengg.5c00288）。除了局部尺度污染控制外，环境工程还必须应对与大气质量恶化和全球气候变化相关的挑战。最后一个主题群聚焦于旨在减少排放和支持气候减缓努力的技术与分析。

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## 5. 清洁空气技术与气候干预

环境工程在应对大气质量恶化和气候变化方面也发挥着核心作用。本部分的贡献涵盖排放特征化、碳分离和碳管理，展示了数据驱动的清单和先进材料如何支持区域和全球尺度的减缓策略。Singh等人提供了印度全境农作物秸秆焚烧的综合清单，捕捉了在全国多样景观中燃烧秸秆类型在季节和空间上的变化。这一数据集为模型工作者和政策制定者提供了宝贵的资源，帮助他们量化排放、了解区域模式并制定应对秸秆焚烧相关大气污染物排放的策略（10.1021/acsestengg.6c00089）。Borah等人通过开发经f-SiO?@GO纳米填料修饰的聚合物基薄膜纳米复合膜来应对CO?分离问题。该研究展示了这些纳米填料提升膜CO?分离性能及相关碳管理应用的潜力（10.1021/acsestengg.6c00197）。

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## 结论

本特刊汇集的文章共同展示了源自印度的环境工程创新非凡的广度。从先进膜系统和污染物传感器到循环资源回收策略、新型功能材料、修复技术和气候导向干预，这些贡献反映了开发应对复杂环境挑战的实用工程解决方案的共同承诺。这些研究所解决的许多挑战——水资源短缺、废物管理、大气污染、污染物去除和碳减排——并非印度所独有，凸显了此处展示创新技术的全球相关性。这些文章共同体现了本特刊的愿景：在展示源自印度的前沿环境工程进展的同时，为全球可持续发展努力作出贡献。我们希望本辑文章能激发新的合作，启发未来技术创新，并加速实施能够保护环境质量同时支持经济和社会进步工程解决方案的推广应用。本编辑所表达的观点系作者观点，不一定代表ACS的立场。

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## 作者简介

Abhijit Mukherjee教授是印度卡尔格普理工学院的教授兼研发副校长，隶属于地球学与地球物理系及环境科学与工程学院。他拥有美国肯塔基大学水文地质学博士学位，并在美国得克萨斯大学奥斯汀分校完成了博士后研究工作，此前曾在加拿大阿尔伯塔地质调查所担任物理水文地质学家。他的研究聚焦于物理、化学和同位素水文地质学，包括在水资源政策和社会领域的应用。他已在国际期刊上发表175余篇论文，并担任多篇领先地球科学和环境科学期刊的编辑职务。他曾担任美国地质学会理事会成员，并是地下水项目理事会成员。

他是美国地质学会、英国皇家化学学会和美国地球物理联合会的会士。他所获得的荣誉包括国家地球科学奖、Kharaka奖、AGU D. L. Memorial Union奖、George B. Maxey杰出服务奖、应用水文地质学奖和Shanti Swarup Bhatnagar奖。B. Neppolian教授是印度金奈Kattankulathur的SRM科学技术学院（SRMIST）的研究院长兼化学杰出教授。他于2000年在安娜大学获得博士学位。他的研究兴趣涵盖能源转化、绿色氢气、燃料电池、光催化和先进传感器，重点开发用于能源和环境应用的可持续材料和技术。他已在知名国际期刊上发表超过330篇研究论文，引用量超过18000次，反映了其研究的显著影响力。他还积极参与研究领导、学术管理以及跨学科研究和创新的推广。在SRMIST，他负责主要研究项目，并支持研究政策、资金项目和协作研究活动的开展。他曾担任多种编辑和职业职务，积极促进国内外研究合作。Ligy Philip教授是印度理工学院马德拉斯分校土木工程系的Nita和K. G. Ganapathi研究所讲席教授，是印度国家工程院院士（FNAE）和英国皇家化学学会会士（FRSC）。她是一位国际公认的环境工程师，是水和废水处理、资源回收和可持续环境技术领域的领先专家。她的开创性研究推进了针对新兴污染物、分散式水和卫生系统、基于自然的处理和循环水管理的解决方案。在超过二十年的学术和研究领导生涯中，她通过高影响力出版物、技术转化、跨学科合作和研究人员指导做出了贡献。她领导了包括农村水安全和可持续废水管理在内的重大国内和国际项目。她的工作显著影响了环境政策、技术开发和可持续资源管理，展现了科学卓越、创新和社会影响的罕见结合。Swatantra Singh博士是印度理工学院孟买分校环境科学与工程系的副教授，在那里他领导跨学科环境纳米技术实验室（ENano）。他还担任Gogri膜转化研究中心主任和膜技术卓越中心（聚焦脱盐、卤水管理和水回用，简称DeSaltM）召集人，该中心由印度科学和技术部支持。他在印度理工学院坎普尔分校获得环境工程学的博士和硕士学位，并在以色列内盖夫本古里安大学Zuckerman水资源研究所担任博士后研究员。他目前的研究聚焦于通过膜技术实现脱盐和废水处理的水—健康—能源关联研究。他获得多项荣誉，包括INAE青年工程师奖（2020年）、ISEES青年科学家奖（2020年）、DST-SYST（2020年）、欧洲膜学会青年会士（2020年）、IITB早期研究成就奖（2021年）、2022年Krithi Ramamritham教授创意研究奖，以及INSA 2024年青年会士奖。Tarun Gupta教授是印度理工学院坎普尔分校土木工程系的Pawan Tewari高盛可持续教职讲席教授。他在印度理工学院罗尔基分校获得化学硕士学位，在印度理工学院孟买分校获得环境科学与工程硕士学位，并在哈佛公共卫生学院获得环境卫生学博士学位。他曾在印度理工学院坎普尔分校担任多个关键管理职务，包括土木工程系主任和研究与发展院长。他的研究聚焦于空气污染监测、人体暴露与健康效应以及不同微环境中的污染控制技术。他致力于转化技术开发，包括商业化亚微米气溶胶采样器和用于高流量颗粒物采样的改造技术。他发表了约200篇同行评审期刊论文，主编了九本书，持有15项印度专利，并指导了17名博士和42名硕士学生。他所获得的荣誉包括INAE青年工程师奖、INSA青年科学家奖章、NASI-Scopus青年科学家奖、VNMM奖和INAE创新与企业家奖。Venkata Krishnan教授是印度理工学院曼迪分校化学科学学院的教授。他的研究聚焦于能源和环境应用中的绿色化学和异相催化，特别关注废物增值，包括生物质转化、塑料升级循环和电子废物利用。他已在知名国际期刊上发表超过200篇文章，撰写了14个书籍章节，并获得六项专利。他是英国皇家化学学会出版的《化学新报》副主编，也是美国化学学会出版的《ACS ES&T Engineering》编辑顾问委员会成员。他所获得的荣誉包括CRS银星奖章、CRSI铜牌奖章、MRSI奖章、DST INSPIRE教授奖、IIT Mandi基金会日教学卓越奖、MANA研究奖学金、美国能源部博士后奖学金、德国研究基金会博士生奖学金和德国学术交流中心访问学者奖学金。在教学和研究之外，他还在印度理工学院曼迪分校担任多个领导职务，包括研究副院长、资助研究院长、工业咨询与国际关系院长、IIT Mandi催化剂中心总监以及IIT Mandi iHub和HCi基金会总监。他还担任机构、国家和国际层面的科学与行政委员会成员。2026年由美国化学学会出版