選擇性膜用于水和廢水處理-先進材料的作用
近日，萊斯大學（RiceUniversity）土木與環境工程學院李琪琳教授、清華大學環境學院黃霞教授、耶魯大學化工與環境工程學院Menachem Elimelech教授、以及萊斯大學材料學院樓峻教授團隊在知名期刊MaterialsToday（IF = 31）上發表了題為“Selective Membranes in Water and WastewaterTreatment: Role of Advanced Materials”的長文綜述。本文系統討論了水處理領域的膜過程現狀、發展選擇性膜的必要性、膜材料的選擇性分離機理、以及有潛力用于制備高選擇性膜的先進材料。本文不僅深入探討了對不同目標組分（如水、離子、分子等）進行選擇性分離的潛在膜材料、過程和機理，還討論了發展高選擇性膜材料和過程的實際需求、知識缺口、以及面臨的技術挑戰。本文還基于當前和未來的供水模式指明了高選擇性膜材料的研究重點和方向。
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膜分離作為一種性能高、占地小、模塊化設計且容易自動控制的技術，在水處理領域得到了廣泛應用。現有的膜材料可以分為水透過型膜和溶質透過型膜。其中，水透過性膜主要包括反滲透（RO）膜、正滲透（FO）膜、納濾（NF）膜、超濾（UF）膜和微濾（MF）膜，其主要基于尺寸位阻效應或Donnan效應截留水中尺寸相對較大的離子、分子和顆粒物等污染物（圖1）；溶質透過型膜主要包括離子交換膜（IEM）和液態膜（LM），其可在電場或濃差驅動下基于“溶解-擴散”模型實現對特定溶質的分離；膜蒸餾（MD）技術則是基于不同物質揮發性差異，實現水或者揮發性物質的分離。然而，盡管現有的膜材料和膜過程能夠滿足大部分的應用場景，它們大都存在“選擇比/通量悖論”。即，隨著目標組分通量的提高，其目標組分相對于競爭性組分的選擇比急劇下降，造成了“選擇比/通量”上限邊界的存在（圖2）。低通量會直接造成運行能耗的提高，而低選擇比則會降低產水水質，間接增加產生高品質產物的運行成本。因此，提高膜材料的選擇性和通透性具有重要意義。
先進材料的發展提高了不同膜材料和膜過程對不同目標組分（相對于競爭性組分）的選擇性（表1）。其中，二維（2D）材料（如GO、TMD、Mxene）（圖3）和等孔徑材料（如多孔石墨烯、垂直排列CNT、MOF、COF、液晶聚合物）（圖4）可以用來制備具有層壓結構或者等孔徑結構的水透過型膜，基于空間位阻效應和Donnan效應以及RO或NF過程，實現對水或小尺寸離子相對于大尺寸離子和分子的選擇性分離；離子交換膜涂層材料（如PSS、PAH、PEI、HACC等）和液態膜萃取劑（如LIX84-I、LIX64N、DEHPA、PC88A等）可用于制備高選擇性離子交換膜（IEM）或液態膜（LM）等溶質透過型膜（圖5），在電場或濃差為驅動下，基于“溶解-擴散模型”原理實現對目標離子或分子相對于水或其他競爭性離子和分子的選擇性分離。在該類材料中，目標離子或分子的尺寸可以小于、等于、甚至大于競爭性離子、分子等污染物；仿生水通道（如水通道蛋白、大環化合物等）和離子通道（如KcsA、POF、CEA、PCH等）材料可以用于制備仿生膜，以實現水相對于離子、或者目標離子相對于競爭性離子的高選擇性、高通量分離（圖6）。本文對各類材料的種類、功能和潛力做了詳細的分析和討論。
此外，除了膜材料本身，分離過程的運行條件也會影響系統整體的選擇性，比如膜兩側驅動力強度（如壓力、電場強度、濃差強度、溫差等等）、透過側溶液組分（溶劑成分、溶質濃度等）以及其他條件（如進水pH、膜面流速、溫度、抗污染/結垢性能、長期運行穩定性等等）。當前基于先進材料制備高選擇性分離膜的研究還處在初級階段，其在實用化過程中仍然面臨巨大挑戰：（i）缺乏可放大化的技術將納米級的先進材料制備成大尺寸、強度高、穩定性好的膜材料；（ii）缺乏對部分膜分離過程（如IEM、仿生膜等）中不同組分傳質機理的認知；（iii）需要可獲得性高、成本低、綠色安全的先進原材料。這些挑戰的解決將會帶來選擇性膜材料的重要突破，助力建設效果好、成本低、環境友好的未來水系統。
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