选择性膜用于水和废水处理-先进材料的作用

近日，莱斯大学（RiceUniversity）土木与环境工程学院李琪琳教授、清华大学环境学院黄霞教授、耶鲁大学化工与环境工程学院Menachem Elimelech教授、以及莱斯大学材料学院楼峻教授团队在知名期刊MaterialsToday（IF = 31）上发表了题为“Selective Membranes in Water and WastewaterTreatment: Role of Advanced Materials”的长文综述。本文系统讨论了水处理领域的膜过程现状、发展选择性膜的必要性、膜材料的选择性分离机理、以及有潜力用于制备高选择性膜的先进材料。本文不仅深入探讨了对不同目标组分（如水、离子、分子等）进行选择性分离的潜在膜材料、过程和机理，还讨论了发展高选择性膜材料和过程的实际需求、知识缺口、以及面临的技术挑战。本文还基于当前和未来的供水模式指明了高选择性膜材料的研究重点和方向。

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膜分离作为一种性能高、占地小、模块化设计且容易自动控制的技术，在水处理领域得到了广泛应用。现有的膜材料可以分为水透过型膜和溶质透过型膜。其中，水透过性膜主要包括反渗透（RO）膜、正渗透（FO）膜、纳滤（NF）膜、超滤（UF）膜和微滤（MF）膜，其主要基于尺寸位阻效应或Donnan效应截留水中尺寸相对较大的离子、分子和颗粒物等污染物（图1）；溶质透过型膜主要包括离子交换膜（IEM）和液态膜（LM），其可在电场或浓差驱动下基于“溶解-扩散”模型实现对特定溶质的分离；膜蒸馏（MD）技术则是基于不同物质挥发性差异，实现水或者挥发性物质的分离。然而，尽管现有的膜材料和膜过程能够满足大部分的应用场景，它们大都存在“选择比/通量悖论”。即，随着目标组分通量的提高，其目标组分相对于竞争性组分的选择比急剧下降，造成了“选择比/通量”上限边界的存在（图2）。低通量会直接造成运行能耗的提高，而低选择比则会降低产水水质，间接增加产生高品质产物的运行成本。因此，提高膜材料的选择性和通透性具有重要意义。

先进材料的发展提高了不同膜材料和膜过程对不同目标组分（相对于竞争性组分）的选择性（表1）。其中，二维（2D）材料（如GO、TMD、Mxene）（图3）和等孔径材料（如多孔石墨烯、垂直排列CNT、MOF、COF、液晶聚合物）（图4）可以用来制备具有层压结构或者等孔径结构的水透过型膜，基于空间位阻效应和Donnan效应以及RO或NF过程，实现对水或小尺寸离子相对于大尺寸离子和分子的选择性分离；离子交换膜涂层材料（如PSS、PAH、PEI、HACC等）和液态膜萃取剂（如LIX84-I、LIX64N、DEHPA、PC88A等）可用于制备高选择性离子交换膜（IEM）或液态膜（LM）等溶质透过型膜（图5），在电场或浓差为驱动下，基于“溶解-扩散模型”原理实现对目标离子或分子相对于水或其他竞争性离子和分子的选择性分离。在该类材料中，目标离子或分子的尺寸可以小于、等于、甚至大于竞争性离子、分子等污染物；仿生水通道（如水通道蛋白、大环化合物等）和离子通道（如KcsA、POF、CEA、PCH等）材料可以用于制备仿生膜，以实现水相对于离子、或者目标离子相对于竞争性离子的高选择性、高通量分离（图6）。本文对各类材料的种类、功能和潜力做了详细的分析和讨论。

此外，除了膜材料本身，分离过程的运行条件也会影响系统整体的选择性，比如膜两侧驱动力强度（如压力、电场强度、浓差强度、温差等等）、透过侧溶液组分（溶剂成分、溶质浓度等）以及其他条件（如进水pH、膜面流速、温度、抗污染/结垢性能、长期运行稳定性等等）。当前基于先进材料制备高选择性分离膜的研究还处在初级阶段，其在实用化过程中仍然面临巨大挑战：（i）缺乏可放大化的技术将纳米级的先进材料制备成大尺寸、强度高、稳定性好的膜材料；（ii）缺乏对部分膜分离过程（如IEM、仿生膜等）中不同组分传质机理的认知；（iii）需要可获得性高、成本低、绿色安全的先进原材料。这些挑战的解决将会带来选择性膜材料的重要突破，助力建设效果好、成本低、环境友好的未来水系统。

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