净化饮用水研究的新成果
（一）开发净化饮用水的新技术
1．研究饮用水检测技术的新进展
⑴开发出检测饮用水中镭元素的新方法。[40]2007年9月，有关媒体报道，美国乔治亚理工研究所环境辐射中心的贝尔恩德·卡恩，与化学家罗伯特·罗森等人组成的一个研究小组，开发出一种有效检测饮用水中镭的方法，这种方法可以显著减少测试时间。
研究人员表示，呼吸吸入、注射、食道摄入，或者身体暴露于相对大量的镭中，都会导致癌症和其他的疾病。美国环保署已经批准这种新的测试方法，它只需要两个步骤：首先，将盐酸和氯化钡加入到水样中，加热至沸腾，再加入浓硫酸，反应后收集镭的沉淀物，干燥并称重；最后利用伽马射线光谱系统分析检测沉淀物中镭-226和镭-228的含量。
罗森说，利用原始方法检测一种类型的镭元素，需要四个小时，检测镭-226和镭-228就需要八个小时。而我们这个新的方法，可以实现两种同位素的同时检测，而且主要技术只要花费半个小时。
⑵开发出能确定饮用水中所含细菌的检测技术。[41]2013年9月，有关媒体报道，英国谢菲尔德大学凯瑟琳·比格斯教授主持的一个研究小组，开发出一种基因检测技术，用以确定饮用水中所含细菌的具体种类。
研究人员发现，水管中几种常见细菌结合体，可以形成一种生物薄膜，成为其他可能对人体更为有害的细菌繁衍的“温床”。他们把4种细菌分离出来，并发现其中任何一种细菌都无法独立形成生物薄膜。但是，当这些细菌与任何一种甲基杆菌属细菌混合在一起时，就可以在72小时内形成生物薄膜。
比格斯说：“我们的研究结果表明，这种细菌可以起到桥梁的作用，使其他细菌与其表面接合并产生生物薄膜。很可能不只这一种细菌能起到这样的作用。”
研究人员表示，这意味着，人们可以通过确定这些特定菌种，来控制甚至阻止饮用水中这类生物薄膜的形成，通过这种方式，就可以减少水处理中所添加的化学剂含量。目前，净化饮用水的措施，就像是在不清楚究竟感染了何种细菌的情况下滥用抗生素。尽管这很有效，但需要大量使用化学试剂，并使消费者在一段时间内暂时无法用水。目前的测试方法，要花很多时间才能得出结果，而在此期间试样中的细菌已经开始繁衍。
比格斯说：“我们现在进行的基因测试研究，将能提供一种更快、更精密的替代方法，让自来水公司能够精准地确定供水系统中发现的菌种，并有针对性地进行处理。”
⑶发明目视快速测定水溶液中重金属离子的新方法。[42]2015年6月，俄罗斯托木斯克国立大学网站报道，该校化学系一个研究小组，开发了一种检测重金属离子的新方法，可以通过目视，快速确定水溶液中存在的钴、铜、镍和锰等重金属离子。
报道称，研究小组使用一种用于降低水硬度的普通吸附材料，作为指示剂。利用该吸附材料，在吸收溶液中一些金属离子时，会附着上特征颜色的性质。当含有重金属离子混合物的溶液，通过被吸附材料填充的试管时，在吸收过程中即可观察到着色分区。
研究人员介绍，这种测试方法，不仅能确定金属离子的存在，而且能够确定数量。可以在任何条件下进行分析，无需任何复杂的实验室设备和专业人员。只需观察被分析的水溶液穿过试管指示器，然后与校准刻度对比立即就可以获得分析结果。
研究人员说，与类似的但是要求利用另外的X射线仪器的分析方法相比较，它的优势还在于不仅能检测一种化学元素，而且能立即检测两种或他们的混合物液体。应用这种技术，不需要过多的花费，1公斤吸附材料价值50卢布～100卢布，一支分析试管仅需装填0.5克。
这种新的分析方法，应用领域非常广泛，可用于水质和工业废水的监测，生产企业事故状态下水质分析等。研究人员已提交了发明专利申请，目前正在进一步开展扩大测试能力和金属离子范围（包括一些稀土元素）的研究。
2．研究饮用水净化技术的新进展
开发出半小时清除水中99%双酚A 的新技术。[43]2017年8月2日，《新科学家》网站报道，双酚A几乎无处不在，与日常生活有着千丝万缕的联系。无论是DVD、信用卡、牙科填充物，还是罐装食物及饮料瓶，甚至土壤、空气和饮用水中，都含有对人体有害的双酚A。近日，美国卡耐基梅隆大学科学家泰伦斯·柯林斯领导的一个研究小组，研发出一种简单方便的新技术，能在30分钟内清除水中99%的双酚A，而且任何人都可随时随地使用。
60年来，人类对双酚A的消费量持续增加。虽然存在争议，但大量研究证明，双酚A能导致心血管疾病和肝功能异常等一系列健康问题。最严重的是，鱼类、哺乳动物和人体试验均证明，它能“冒充”孕妇体内的一种雌激素——雌二醇，破坏内分泌功能，对生殖系统和胚胎发育造成不良影响。欧盟和美国正在考虑逐渐从市场上淘汰双酚A，但其替代产品可能也有健康隐患。
柯林斯研究小组经过长达15年的研发，终于找到这种从水中清除双酚A的简单方法。他们向被双酚A污染的水中，先后加入一组铁四氨基大环配位体（ Fe-TAML ）催化剂和过氧化氢。催化剂与过氧化氢结合后，在pH值为中性的废水中，能加速双酚A聚合，使其在30分钟内快速形成大分子的寡聚体，并从水中过滤出来。
该研究小组还在铁四氨基大环配位体催化剂处理过的水中，培育酵母细菌和斑马鱼胚胎，结果没有出现与双酚A有关的任何发育异常。双酚A是地球上最难攻克的污染物之一，该成果证明他们的技术已能有效将其清除。柯林斯表示：“我们解决了可能会耗费数十亿美元研究经费的难题，使用新技术，只要2斤催化剂就能清除数万吨水中的双酚A污染。”
（二）开发净化饮用水的新材料
1．研制净化饮用水的过滤材料
⑴发现可滤掉水中放射性碘的生物材料。[44]2011年4月14日，美国物理学家组织网报道，美国北卡罗来纳州大学，生物材料学副教授乔尔·帕夫拉克领导的一个研究小组发现，一种由林业副产品和甲壳类动物外壳组成的生物材料，或能帮助人们从水中滤掉放射性污染物。
帕夫拉克说，正如我们目前在日本所看到的，由核电事故引发的众多灾害中，放射性碘化物，对饮用水水体的污染是其中的一大问题。由于放射性碘化学性质，与非放射性碘化物相同，人体无法通过感官进行区分，而这种物质一旦进入人体，就会在甲状腺中形成沉积，如果不及时采取措施，便有可能引发癌症。
研究人员称，他们发现的这种生物材料，是一种半纤维素的复合物，外形如同塑料泡沫一般，主要由林业副产品和壳聚糖组成，外部涂有一层木质纤维。该材料在水中能与放射性碘相结合，并将其捕获。在使用时，只需将其浸入需要净化的水中即可，不需要电力和专门的装置。此外，该研究小组还发现，这种材料，也能清除淡水或海水中的砷等重金属物质。
帕夫拉克说，在发生自然灾害等紧急事件时，供电一般都会出现紧张，复杂的大型电力净化装置，一般都难以派上用场。此时，这种新材料的优势，便会体现出来。该材料应用起来也较为方便灵活：小尺度应用中，可将这种材料像茶包一样浸入杯中实现净水；在大规模净化中，则可以将其制成大型过滤装置，让需要净化的水从其中通过即可。
⑵研制出可高效去除重金属和细菌的净水滤纸。[45]2018年4月，有关媒体报道，美国斯坦福大学医学中心副教授程震等人组成的一个研究小组，在科罗拉多州丹佛市举行美国水质协会年会上报告说，他们最新开发出新型纳米净水滤纸，这种介孔陶瓷膜产品在不使用电压、化学品或重力自流过滤的情况下，能高效过滤掉铅和砷等重金属以及细菌和病毒。
程震介绍道，该产品的核心技术是夹在两层纸中间的介孔陶瓷层，在半张A4纸大小的陶瓷层里隐含着超过180亿个纳米钩子。
美国夏威夷大学和中国医科大学等机构的实验室研究显示，在不使用化学药物和紫外线消毒等传统灭菌方法的情况下，这种滤纸可快速过滤掉细菌和病毒。
程震说：“当细菌或病毒经过滤纸时会被钩住，同钓鱼用的爆炸钩原理一样，它们的保护膜会被破坏，从而使其DNA(脱氧核糖核酸)失去活力。”
研究人员说，这种滤纸可广泛用于普通家庭水质过滤、工业重金属废水过滤、核污染废水处理和农业灌溉等。研究人员还在报告会上展示了这种净水滤纸。
2．开发净化饮用水的吸附材料
⑴研制出可快速去除饮用水中三种重金属的吸附材料。[46]2017年7月，中科院合肥物质科学研究院刘锦淮、孔令涛等学者组成的一个研究小组，在《应用表面科学》杂志发表论文称，他们近期制备出一种环糊精聚合物吸附材料，可实现对饮用水中铅、铜、镉三种重金属的快速深度去除。
饮用水中的铅、铜、镉等重金属含量超标，会对人类健康造成威胁。在现存各种去除重金属方法中，吸附法因设备简单、操作简便、运行成本低成为主要方法，但吸附速度慢，通常需要几小时甚至几十小时才能达到吸附平衡。
该研究小组通过把β-环糊精单体交联聚合成β-环糊精聚合物，在重金属吸附实验中，这种吸附剂在5分钟内就能达到吸附平衡，高于目前的常规材料。此外，这种吸附剂在吸附后，可以通过简单的酸泡实现脱附再生，从而降低成本。实验结果表明，β-环糊精聚合物可以发展成一种高效快速的重金属吸附剂，具有较好应用前景。
⑵研制出可清洁水的吸油海绵。[47]2018年7月，为应对日益增长的水资源短缺，美国阿贡国家实验室研究人员塞思·达林主持的研究小组，在《应用物理学杂志》上发表论文，描述了能解决全球清洁水可获得性的研究创新。该论文聚焦了理解并控制材料和水之间的界面。
界面决定了水质传感器、滤膜甚至管道等各种技术的表现。达林实验室正致力于研究吸附剂，以便促进水处理技术的发展。吸附剂是清洁水的最好工具之一。在这个过程中，污染物黏到多孔材料表面，从而将比表面积最大化。
目前，高孔隙度活性炭是最广泛使用的，因为它丰富而廉价。沸石能将整个分子困在3D水晶笼结构中，使其得以选择性地黏住来自水性溶液的特定化合物。聚合物基吸附剂在设计中拥有极大的灵活性。
可重用性是吸附材料的一个关键指标。它可显著减少成本，并且增加处理过程的可持续性。于是，聚合物泡沫海绵，成为有前景的候选者。
达林正带领研究小组设计一种吸油海绵。它能在整个水层中吸收重量是其自身90倍的油。为创建吸油海绵，研究人员实施了一项被称为连续渗透合成的技术。利用这种新技术，他们在泡沫纤维中生长出金属氧化物，从而将在弹性坐垫中发现的常见聚氨酯泡沫塑料，转变成一种油性吸附剂。
这种氧化物充当了可被亲油分子依附的“胶水”。可重复使用的油被从海绵中抽取出来，因此它可被多次使用。
研究人员还在设计拥有更高特异性的下一代吸附剂，即对个别污染物有更好的黏合力。理想情况下，他们能量身定制界面性质，以吸附特定分子，从而捕捉像营养物质和重金属一样的水污染物。
（三）开发净化饮用水的新设备
1．研制饮用水检测设备的新进展
⑴推出几分钟测得精确结果的快速饮用水检测器。[48]2013年10月，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所，发表研究公报称，该所一个研究小组利用激光技术，推出一种饮用水快速检测法，仅需几分钟就可得出检验结果。
研究人员表示，一种特殊的红外线激光器，可对自来水厂的饮用水样本，进行自动分析。这种激光器的体积，仅为鞋盒大小，其工作原理是，每种化合物分子都有特定的吸收光谱，用红外线激光照射水样本，并分析其吸收光谱，就可以确认化合物的种类。
这套红外线激光器，已在德国黑森林地区的金齐希河自来水厂进行试用。在6周的时间里，这套仪器每隔3分钟就会对饮用水样品进行自动检测，共进行了约2.1万次检测，结果非常精确。
除对饮用水进行日常检验分析外，这套仪器还能快速检验出水中的危险物质，这将有助于政府部门对水污染事件作出快速反应。
⑵研制出30秒内完成水质检测的新设备。[49]2016年5月17日，国外媒体报道，英国伯明翰大学教授约翰·布里奇曼领导的一个研究团队近日宣布，他们开发出一种新型光学设备，能够根据水中荧光特征，在30秒内快速检测出水质是否达到可饮用的安全标准，有望用于灾区救援、污水处理等方面。
据研究人员介绍，所有水体都会散发荧光，但人眼对特定波长的光线敏感度不够，因此这些荧光不易被肉眼察觉。此前一些研究显示，由于水中污染物会有各自不同的荧光特征，可通过分析水体荧光来识别水质污染情况。
研究团队开发的这种设备，能探测特定波长的荧光，以此判断水中是否存在相应的微生物和有机碳。研究人员说，使用这种设备“扫描”水体，在短短30秒内就能完成检测。相比而言，传统的方法需要超过12小时才能完成水质检测，并且要使用成本相对较高的生化试剂，这无法满足灾区以及贫困地区快速寻找干净水源的需求。
布里奇曼说，这种新设备的操作非常简单，普通人也能很快学会使用，有利于未来在偏远地区普及。据介绍，研究团队已经与中国一家公司合作，利用这套新设备来协助广州一处污水处理厂提高污水处理效率。
2．研制饮用水净化设备的新进展
⑴发明可为灾区提供安全饮用水的“生命吸管”。[50]2006年10月，丹麦维斯特格德·弗兰德森公司，发明了一种戴在脖子上的“生命吸管（Lifestraw）”，它能把污水净化为饮用水，在遭受洪灾影响缺乏干净水的地方，可用它来帮助解决饮水问题。
“生命吸管”实际上就是一根长25厘米，直径29毫米的塑料管子，里面装有7种过滤器，包括网眼直径6微米的网丝、注入了活性炭和碘的树脂。
“生命吸管”的操作很简单，只要把这个塑料管子伸进水里，并将水通过3个过滤器吸上来就可以了。当使用者通过它来吸水的时，污水首先碰到的是两层纺织过滤器，能够除去较大的杂质部分细菌。然后水将进入一个隔间，在这里碘会发挥作用，杀死细菌、病毒和寄生虫。最后的一个隔间充满了活性炭，它可以去除前面没有去掉的寄生虫，而且还可以消除大部分碘的味道。
这种简易净水器，可以缓解水源污染地区的用水困难，能为飓风、地震或其他灾难的受害者提供安全的饮用水，还可以成为人们周末外出旅游随身携带的“装备”。不过，“生命吸管”并非完美无缺，它无法过滤能够导致肝炎等疾病的细菌，也难以过滤砷等金属。
⑵研制出能有效净化污水的太阳能泡沫蒸馏器。[51]2016年8月23日，美国麻省理工学院机械工程师陈刚率领的一个研究团队，在《自然·能源》杂志上发表研究报告称，他们研制出一种用泡沫包装和其他简单材料构成的廉价太阳能蒸馏器。
人类使用太阳能蒸馏器，已经有数千年的历史。最基础的版本，是具有黑色底部(能够吸收太阳光)的充满水的容器，它能够增加水的蒸发量。位于顶部的玻璃或其他透明材料能够捕获水蒸气，随后冷凝水滴入一个收集容器中。为了加速上述过程，现代版本的太阳能蒸馏器，则利用透镜或镜子收集了约100倍的光线。但这种太阳能集光器的成本很高，通常每平方米开支约200美元，这使得很多人难以承受。
两年前，陈刚团队研制出一种由漂浮在炭泡沫上的石墨层构成的高效太阳能吸收器。由于上下两层是通透的，因此下面的水可以通过毛细作用到达石墨层，从而被阳光加热。这套装置能够工作，但大部分的能量都在阳光下辐射掉了。如果要想使水沸腾，蒸馏器需要安装附加装置以集中10倍的周围光线，从而克服红外损失。
研究人员想要去掉这些附加装置，他们把一个海绵状的绝缘体漂浮在水面上。在试验中，他们利用薄薄一层商业太阳能热水器中使用的蓝色金属和陶瓷复合材料，取代了石墨太阳能吸收器。这种材料，可以有选择地吸收来自太阳的可见光和紫外线，但它不会以红外线的方式辐射热量。在这层材料与泡沫之间，研究人员放置了一块薄片铜，这是一种极好的热导体。他们最终像之前一样，在这个三明治般的东西上打满了孔。
然而，依然有一个难题没有得到解决。复合材料吸收的大部分能量被对流一扫而空，热量都损失在蒸馏器表面上方的空气中。而最终，陈刚的16岁女儿，当时正在为参加一个科学展览试验而设计廉价温室，她想出了问题的解决办法。她发现，一个顶层的泡沫包装能够充当极佳的绝缘体。
陈刚和他的学生乔治·尼，最终把他们的太阳能蒸馏器用泡沫包装包裹起来。研究人员报告说，这套装置能够使水沸腾并且蒸馏水，而没有使用额外的太阳能集光器。陈刚估计，在未来的某一天，他们将能够利用这项技术制造出大面积的太阳能蒸馏器，而其成本仅为常规技术的1/20。
⑶研发出可用于极端条件的高效净化水装置。[52]2017年5月，俄罗斯媒体报道，托木斯克工业大学一个研究小组，研发出高效净化水装置，可用于包括春汛灾区在内的极端条件，装置净化效率高、便携，适用于净化任何原水。
此项技术的创新点，为专门研发出多种不同净化作用的吸附剂。其生产原料为廉价的沙子、珊瑚，以及建筑废料等，采用独特的纳米技术对原材料进行处理，使每种吸附剂对某一种或某几种污染物具有最佳的吸附效果。净水滤芯中逐层填充不同的吸附剂，不同性能吸附剂的相互配合可获得水的最佳净化效果。究其净化机理，实际上同时进行了离子交换、机械和化学吸附、催化、电动力学去除细菌、病毒及化学污染物等净化过程。
其中一种型号的净水器，其外形为长约20厘米的短管，重量约300克，管中含有八层左右的不同吸附剂，可同时去除水中的重金属（锌、铜、铅、铁等元素）、农药、石油污染物、盐类、细菌、病毒以及寄生虫，每小时可获得净水3升～5升。装置为便携式，适于野外作业时携带。
此项技术，引起了俄罗斯应急状态部的兴趣。因为俄罗斯几乎每年都发生春汛，由于洪水冲毁了大田，水中含有农药及各种病菌、病毒，此项成果如果用于春汛灾区，可迅速在当地获得急需的饮用水，帮助灾民渡过缺水的难关。
