選擇性膜用于水和廢水處理-先進材料的作用

水處理網(wǎng)訊:近日，萊斯大學(xué)（RiceUniversity）土木與環(huán)境工程學(xué)院李琪琳教授、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞教授、耶魯大學(xué)化工與環(huán)境工程學(xué)院Menachem Elimelech教授、以及萊斯大學(xué)材料學(xué)院樓峻教授團隊在知名期刊MaterialsToday（IF = 31）上發(fā)表了題為“Selective Membranes in Water and WastewaterTreatment: Role of Advanced Materials”的長文綜述。本文系統(tǒng)討論了水處理領(lǐng)域的膜過程現(xiàn)狀、發(fā)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(fā)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(shù)挑戰(zhàn)。本文還基于當(dāng)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。

全文速覽

膜分離作為一種性能高、占地小、模塊化設(shè)計且容易自動控制的技術(shù)，在水處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的膜材料可以分為水透過型膜和溶質(zhì)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(yīng)或Donnan效應(yīng)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(zhì)透過型膜主要包括離子交換膜（IEM）和液態(tài)膜（LM），其可在電場或濃差驅(qū)動下基于“溶解-擴散”模型實現(xiàn)對特定溶質(zhì)的分離；膜蒸餾（MD）技術(shù)則是基于不同物質(zhì)揮發(fā)性差異，實現(xiàn)水或者揮發(fā)性物質(zhì)的分離。然而，盡管現(xiàn)有的膜材料和膜過程能夠滿足大部分的應(yīng)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(chǎn)水水質(zhì)，間接增加產(chǎn)生高品質(zhì)產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)或者等孔徑結(jié)構(gòu)的水透過型膜，基于空間位阻效應(yīng)和Donnan效應(yīng)以及RO或NF過程，實現(xiàn)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(tài)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(tài)膜（LM）等溶質(zhì)透過型膜（圖5），在電場或濃差為驅(qū)動下，基于“溶解-擴散模型”原理實現(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)整體的選擇性，比如膜兩側(cè)驅(qū)動力強度（如壓力、電場強度、濃差強度、溫差等等）、透過側(cè)溶液組分（溶劑成分、溶質(zhì)濃度等）以及其他條件（如進水pH、膜面流速、溫度、抗污染/結(jié)垢性能、長期運行穩(wěn)定性等等）。當(dāng)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(zhàn)：（i）缺乏可放大化的技術(shù)將納米級的先進材料制備成大尺寸、強度高、穩(wěn)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(zhì)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(zhàn)的解決將會帶來選擇性膜材料的重要突破，助力建設(shè)效果好、成本低、環(huán)境友好的未來水系統(tǒng)。

圖片摘要