許多未來小說和電影都探討了沒有水的世界會是什麼樣子。 但水資源短缺並不是遙遠未來的問題：它已經存在了。

聯合國水機制在其 2021 年報告中概述了危機的規模：23 億人生活在缺水國家，其中 7.33 億人生活在“缺水程度嚴重且嚴重緊張的國家”。

2018 年，我居住並進行研究的開普敦，居民們發現自己正面臨著“零日”，屆時家庭供水將會枯竭。 好雨使這座南非城市倖免於難，但現在該國其他地區也面臨著同樣可怕的水龍頭空空的預測。

這種情況有可能在整個非洲上演。 以非洲之角地區為例，埃塞俄比亞、索馬里和肯尼亞大片地區已經連續四個雨季沒有像樣的降雨。 非洲“特大城市”的崛起——數百萬人湧入城市地區——給本已有限的基礎設施帶來了進一步的壓力。

這場危機遠遠超出了非洲大陸。

對於這一嚴峻的現實，沒有一種解決方案。 正如開普敦的經驗所表明的那樣，需要採取多管齊下的方法。

技術將成為解決全球水資源短缺危機的關鍵部分。 技術解決方案包羅萬象，從最基本的（例如家用漏水探測器）到高度複雜的（例如從空氣中提取水分以生產清潔飲用水或將地球上豐富的鹽水轉化為淡水的方法）。

在最近的一篇論文中，我和同事概述了另一種潛在的強大技術：碳納米材料，它已被證明可以去除水中的有機、無機和生物污染物。

污染威脅水源

污染是對水源造成壓力的因素之一。 所有供水都含有一些微生物和病原體。 但工業廢物是一個巨大的問題：例如，車輛釋放重金屬污染物，酸性礦山廢水滲入水源。 這導致地下水和地表水受到污染，無法安全地用於大多數人類活動，更不用說用於飲用或清洗食物了。

目前的一些技術使得水處理成本過高。 其他人根本無法勝任這項工作，無法清除微生物。 例如，在去除廢水中的藥物廢物、有機染料、塑料和洗滌劑等有機污染物時，一些傳統技術（如膜過濾）被發現存在不足。

這就是碳納米材料的用武之地。我與其他人一起探索它們的用途，發現它們比傳統材料更高效、更經濟。

納米材料

納米材料廣義上定義為包含尺寸在 1 至 100 納米 (nm) 之間的顆粒的材料。 一納米等於十億分之一米。 不同的納米材料由不同的原子組成——有些，比如我研究的納米材料，是由碳原子組成的。

按質量計算，碳是人體內僅次於氧的第二豐富元素。 它也是所有已知生命的共同元素。 碳納米技術是環保的，因為它們比某些吸附劑（用於去除液體或氣體中污染物的固體物質）具有更低的二次污染風險。

碳納米材料被設計成納米材料形式，因其卓越的物理和化學性質而受到世界各地許多科學家的歡迎。 由於其巨大的表面積和吸附能力、納米級的尺寸和化學性質，它們具有從水中去除重金屬的潛力，因此越來越受到重視。

碳納米材料已被證明可有效處理廢水。

解決水資源短缺問題

我研究碳塗層磁性納米材料。 這種混合複合材料在淨化水方面發揮著至關重要的作用。 同時，它還能去除重金屬等物質。 這使得它成為水處理的理想選擇，並且由於所謂的磁力過濾，它可以輕鬆、快速地恢復和回收利用。 在此過程中，添加到污染水中的磁性納米材料經過外部強磁體處理後被回收。 回收的材料可以再生並再次使用。

碳基納米材料仍然存在缺點。 納米材料往往會聚集成大顆粒，從而降低其吸附（吸引和保留）污染物的能力。 而且納米顆粒並不總是能從處理過的水中完全回收，從而導致二次污染。 我們仍然不確定如何從處理過的水中分離出耗盡的（充分利用的）納米材料。

我們的實驗室和世界各地的其他實驗室仍在繼續這項工作。 科學家不喜歡時間表，因為突破很少在規定的期限內發生。 但我們希望未來幾年碳基納米材料將取得越來越多的進步，為世界提供解決水資源短缺問題的重要工具。

薩拉姆·蒂廷奇教授， 西開普大學

本文根據知識共享許可從 The Conversation 重新發布。 閱讀原文。