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基于二维纳米材料的水处理功能膜研究进展
《化工进展》李胄彦等 / 时间:2021-08-19 22:39:44

北极星水处理网8月19日讯:二维纳米材料是制备膜材料中一类重要的掺杂材料或膜构筑单元,也是新型水处理功能膜的研究热点。已有许多研究报道了二维纳米材料通过有序的堆叠和自组装在膜内构建出规整的水通道,可以赋予膜可调控的分离性能,进而实现trade-off效应的突破,被认为是“下一代膜材料”(next-generation membranes)。同时,二维纳米材料的独特片层结构、催化性能及可修饰性可使膜材料获得新的功能,如导电性能、光/电催化性能等。本文综述了近年来基于二维纳米材料的水处理功能膜研究进展,重点先容了共混法、自组装等制备方法,并总结了此类功能膜在抗污染、膜通量恢复、强化污染物去除、调控盐截留及污染物监测领域的应用。最后对基于二维纳米材料的水处理功能膜发展方向,如限域催化、调控盐分离、监测传感等新兴领域进行了分析和展望。

膜分离技术是一种利用分离膜的选择透过性,以压力差、浓度差、电位差、温度差等为推动力,对料液中不同组分进行分离、浓缩和纯化的分离技术。基于膜分离的水处理技术具有处理效率高、占地面积小、易于模块化和自动化控制等优势,已越来越广泛地应用在水处理的各个领域,在应对水资源短缺、保障饮用水安全以及水环境污染治理中均发挥了重要作用。然而,在膜分离技术的实际应用中,仍存在膜污染、膜渗透性和选择性的矛盾关系(即trade-off效应)等关键技术难题。在操作运行过程中,无机、有机污染物以及微生物会逐渐在膜的表面或者膜孔内沉积,造成可逆或不可逆的膜污染,导致膜的通量和使用寿命下降。而传统有机膜材料的渗透性与选择性往往难以同时得到提升,存在着两者此升彼降的技术瓶颈。

随着石墨烯(Gr)、氧化石墨烯(GO)等石墨烯类材料以及石墨相氮化碳(g-C3N4)、二硫化钼(MoS2)、二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)等众多新兴二维纳米材料(2D nanomaterials)快速发展,二维纳米材料[也被称为二维纳米片(2D nanosheets)或二维片层材料(2D flakes)]引起了环境、能源、材料、生命科学等诸多领域的研究兴趣。在新型膜材料中,二维纳米材料以其原子尺寸厚度的独特片层结构作为功能膜的纳米级构筑单元,通过有序的堆叠和自组装在膜内构建出规整的水通道。这类基于二维纳米材料的新型膜材料具有可调控的分离性能,可以实现对trade-off效应的突破,被认为是“下一代膜材料”(next-generation membranes)。而同时,二维纳米材料往往具有导电性能以及可修饰性,如氧化石墨烯(GO)本身具有良好的导电性,且其表面具有丰富的含氧基团,具有制备功能膜材料的天然优势。因此,这些二维纳米材料在新型功能膜的制备和应用中展现出了巨大的潜力,对拓宽膜的功能和应用具有重要意义。

本文综述了近年来国内外基于二维纳米材料的水处理功能膜材料研究中取得的主要进展,主要包括功能膜材料的分类、制备方法以及在水处理中的应用(图1),最后还展望了二维纳米材料在水处理功能膜领域的研究和发展方向。

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结语

基于二维纳米材料的新型功能膜材料具有可调控的分离性能,可以实现trade-off效应的突破。同时,二维纳米材料以其独特的片层结构、催化性能以及可修饰性,赋予膜材料新的可能性,在新型功能膜的制备和应用中展现出了巨大的潜力,对拓宽膜的功能和应用具有重要促进作用。未来,二维纳米材料的新型功能膜材料在以下几个方面具有良好的发展前景:①限域催化,以二维纳米材料堆叠形成的规整二维孔道可以作为负载芬顿/光/电催化剂的基底或二维纳米材料本身作为催化剂;②盐分离,以二维纳米孔道的电压门效应或表面电荷的调控强化分离;③监测传感,尺寸可调控且具有高比表面积和传导效率的二维纳米孔道可用于实现灵敏度高、特异性强的电化学监测传感。

为进一步推进二维纳米材料功能膜的发展和应用,未来研究中仍需解决以下科学与技术问题:①基于二维纳米材料的膜制备成本仍较高,因此需要创新、优化制备方法,以降低功能膜制备成本;②功能膜材料水稳定性、抗污染能力需要进一步提升,以延长使用寿命;③传统的宏观传质理论和反应动力学模型可能不再适用于功能膜内的传质-反应耦合过程,因此需要阐明功能膜性能的关键影响因子,发展适用于界面和纳米限域空间内的传质/反应数学模型。

详情见:《化工进展》  


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