基于二维材料的高性能膜在去除地下水中新污染物领域的进展和挑战

近日，成都理工大学水土污染协同防治科研团队在环境领域知名学术期刊Desalination（一区，IF：8.3）上发表题为“High-performance membranes based on two-dimensional materials for removing emerging contaminants from water systems: Progress and challenges”综述论文。该工作首先回顾了二维（2D）材料在构筑高性能水处理膜方面的有效策略；随后总结了二维纳米片膜（2DNMs）及二维材料改性聚合物膜（2DNMPMs）在去除持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素和微塑料等新兴污染物（ECs）方面的研究进展；最后提出了此系列高性能膜对ECs的多重分离机制和耦合去除机理，并指明了该领域当前面临的挑战以及未来的发展方向。综述以“二维材料改性膜”的研究热点为切入点，以“基于膜分离技术高效去除ECs”为目标，为未来开发低碳、高效的地下水中新污染物去除策略提供了理论参考和应用拓展。

图形摘要

文章信息

第一作者：曾广勇 副教授

通讯作者：蒲生彦 教授

通讯单位：成都理工大学

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118294

亮点

· 总结了高性能2D材料纳米片膜和2D材料复合膜的制备策略。

· 深入阐述了2D材料是如何显著提升了膜对ECs的去除效率。

· 提出了基于2D材料高性能膜在ECs去除中的多重协同机制。

· 对基于2D材料高性能膜在去除ECs面临的挑战和前景进行了展望。

全文速览

当前，新兴污染物（ECs）因其具有种类繁多、风险隐蔽性高、环境持久性强、治理复杂性等特点，已经成为环境和化工领域研究的难点和热点之一。膜分离技术凭借操作简单、低碳、高效和节能等优势，且在ECs分离和去除中展现巨大的应用潜力。然而，膜材料是膜分离的核心部件，其在应用过程受到渗透性和选择性之间权衡（trade-off效应）。此外，膜污染问题也一直制约着膜领域的发展。因此，开发兼具高通量和高截留率、且能够在含ECs废水处理过程中持续抗污染的高性能膜材料，具有重要的理论价值和现实意义。近年来，二维（2D）层状材料因其独特的微观结构和理化性质，受到了研究人员的广泛关注。将其通过表面接枝、表面涂覆以及基质共混等方式引入聚合物膜结构中，能够制备二维材料改性聚合物膜（2DNMPMs）；此外，通过对其片层结构组装和堆叠，可以构筑出具有限域传质通道的二维纳米片膜（2DNMs）。因此，本综述首先采用“二维材料”、“膜分离”和“新兴污染物”为关键词，对近年来的文献进行了计量处理，并绘制了关联网络图，数据如下图1所示。

图1.关键词共现映射：(a) 关键词叠加可视化；(b) 关键词密度可视化

随后，基于2D材料特殊的理化性质以及与聚合物膜不同的作用方式，论文归纳了“成膜前改性”（如基质共混）和“成膜后改性”（如界面聚合和真空抽滤）两种策略，指出开发出二维材料改性聚合物膜（2DNMPMs）能够显著提升膜的渗透通量、抗污染能力和机械能力等，但2D材料在聚合物膜中的分散性和相容性，以及长期渗透后的流失性需要研究者后续重点攻克。

图2.二维材料改性聚合物膜的策略: (a) 相转化；(b) 界面聚合；(c) 真空抽滤

此外，基于2D材料原子级厚度和微米级横向尺寸，可以构筑出具有纳米级的限域传质通道，论文总结了以氧化石墨烯（GO）、MXene、石墨相氮化碳（g-C3N4）、金属有机骨架等2D材料在构筑二维纳米片膜（2DNMs）方面的策略和应用案例，并指出如何提升此类膜在水溶液中的抗溶胀性（甚至用于错流操作）的必要性。

图3.二维纳米片膜的制备案例及特点：(a) GO-MPD膜；(b) GO/MoS2-PVA膜；(c) 2D MXene膜；(d) g-C3N4/GO/MCE膜

最后，作者详细阐述了基于2D材料的高性能膜在四类典型新兴污染物，即持久性有机污染物（POPs）、内分泌干扰化学物（EDCs）、抗生素（Antibiotics）和微塑料（Microplastics）方面的应用案例，总结了筛分和吸附作用在新污染物去除中扮演重要的角色，并归纳了基于二维材料开发的高性能膜耦合光催化、膜耦合活化过硫酸盐、膜耦合生物催化等协同强化ECs去除机制。可以预见，基于二维材料的高性能膜在去除水中新污染物领域前景广阔，且未来人工智能、机器学习、辅助模拟、生命周期评价等手段将在此领域发挥重要的作用。

作者介绍

曾广勇，副教授，校聘研究员，硕士生导师，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室固定研究人员，主要研究方向为新型膜分离材料的制备及应用。

蒲生彦，成都理工大学教授，地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室土壤地下水污染协同防治创新团队学术带头人。

来源：地下水原位修复一体化设备研发