面向水处理应用的二维MXene膜研究进展

MXene纳米片材料因其二维结构特性和丰富的表面基团而受到广泛关注。MXene纳米片组装成的二维层状膜,通过尺寸筛分效应和静电相互作用可实现溶液中小分子和离子等分离,在水处理领域有着巨大的应用潜力。然而,二维层状MXene膜仍然面临着严峻的挑战,如低稳定性、高内阻、水环境中易溶胀等,导致分离性能不理想。本文以层状MXene膜的分离机理为出发点,重点介绍了目前改善层状MXene膜分离性能的方法及研究进展,并对二维MXene膜水处理应用发展进行展望,期望对基于MXene膜的精密构筑和设计高性能分离膜提供有益参考。     

石墨烯基CO2分离膜通道微环境调控研究进展

石墨烯作为一种具有单原子层厚度的二维纳米片,凭借石墨烯基独特的物理性质,已成为高性能碳捕集膜的构筑单元。石墨烯基纳米片超薄的厚度有助于制备超薄膜以提升分离膜的通量,此外可调的物理化学性质赋予石墨烯二维通道内多样的微环境。以CO₂分离膜内多重传质机理为出发点,重点介绍近年来石墨烯基CO₂分离膜二维通道物理化学微环境精密调控的策略及进展,期望对石墨烯基CO₂分离膜的理性设计和可控制备提供清晰思路。     

基于二维纳米材料的水处理功能膜研究进展

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,重点介绍了共混法、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。     

基于二维材料膜构筑纳米流体通道的研究进展

纳米流体学涉及在纳米尺度通道内流体独特的传输行为,近年来引起了研究者们的广泛兴趣。二维（2D）材料的出现以及2D材料膜的快速发展,开创了纳米流体研究的新时代。本文综述了近年来基于二维材料膜构筑纳米流体通道的研究进展,着重介绍了二维材料膜纳米流体通道的构筑方法,包括“自上而下”策略、“自下而上”策略、人工造孔策略制备二维材料多孔膜,以及范德华组装策略、液相组装策略制备二维材料叠层膜;深入讨论了二维材料膜纳米流体通道的调控手段,包括通道尺寸、长度和形状等物理结构的精密控制,通道亲和性、电荷性等化学环境的合理设计;最后总结展望了二维材料膜纳米流体在材料开发、仿生设计、传输机理和器件应用等方面所面临的机遇与挑战。     

二维氧化石墨烯膜离子选择性传递调控的研究进展

膜分离技术具有低能耗和高选择性的优势，已成为离子分离的重要手段。氧化石墨烯（GO）具有单原子厚度，表面富含多种含氧基团，利用其构筑的层叠膜展现出精确的离子筛分性能。本文系统地介绍了GO膜在离子选择性传递调控方面取得的研究进展，从层叠通道调控和电荷修饰两个角度对GO膜的离子选择性传递性能进行阐述。对于层叠通道，可采用部分还原法、物理插层法、化学交联法进行精确调控，实现GO膜对离子筛分性能的强化。对于电荷修饰，常采用正/负电荷改性策略对GO膜与离子间的长程静电作用进行调控。本文将深化对GO层叠膜离子选择性传递机制的认识，同时提出该领域的发展方向，以期促进GO膜在离子分离领域的进一步发展。     

二维层状膜在离子传质与分离方面的研究进展

二维层状膜由二维纳米片的层层堆叠而成，由于相邻纳米片之间二维毛细通道展现出的选择性传质特性，受到研究者广泛关注。从对二维层状膜的溶胀现象出发，系统总结了纳米通道尺寸调控策略，并分析了其他尺寸因素对离子传输行为的影响，总结了通道表面电荷以及特异性结合基团与离子传输与分离效率的关系。综述了近几年有关二维层状膜在离子传质与分离方面的研究现状、进展以及存在问题，旨在为高性能离子筛分层状膜的结构设计和应用提供理论参考。     

氧化石墨烯分离膜的性能调控及其传质机理研究进展

氧化石墨烯（GO）作为理想的膜构筑材料,因其蜂窝状的结构特点及表面分布大量含氧基团的特性,被广泛用于水处理分离膜的构筑。GO膜具有良好的物理特性、优异的化学稳定性和独特的二维层状结构,在污水处理、脱盐和离子筛分等水处理领域备受关注。在水处理中,GO膜对有机物和离子有较好的截留效果,但也存在水通量低、稳定性差等问题。本文分析了近年来GO膜在水处理领域的研究新进展;简单总结了GO膜的制备方法和水处理应用;重点阐述了GO水处理膜分离性能优化的方法和传质机理的研究进展;最后总结并展望了GO膜在结构调控和性能提升方面的发展方向。本文为设计和制备高性能GO水处理膜提供参考。     

膜法分离一/二价阳离子的研究进展

各类工业过程如水质软化、食用盐纯化、盐湖卤水提锂、酸和重金属资源回收等对一/二价阳离子高效分离的需求日益增长,近年来,针对上述分离体系的膜材料的研究取得了诸多进展。本文详细总结了针对一/二价阳离子分离的选择性阳离子交换膜、纳滤膜、支撑液膜和离子印迹膜的研究进展,重点梳理了相关膜材料的离子选择性优化思路和机理,对比分析了上述膜过程的特点和适用场景。基于此,作者认为,离子筛分精细化是膜分离技术的重要发展方向。在分子尺度明晰分离层的形成和演化机理,对于提高界面聚合反应可控度,实现在亚纳米尺度膜结构的精细调控至关重要。通过在膜基体内可控构建目标离子的特异性识别位点和传质通道,有望实现高选择性离子筛分。此外,具有本征规则孔道结构的新型分离膜材料,如MOFs、COFs、二维层状结构膜等,在精细筛分方面具有良好的发展潜力。     

二硫化钼纳米片基水处理纳滤/反渗透膜研究进展

二硫化钼（MoS₂）纳米片的层内固有缺陷以及层间纳米限域通道的存在,有利于提高水处理纳滤/反渗透（NF/RO）膜的渗透选择性。本文首先介绍了MoS₂纳米片的“三明治”结构,其具有易功能化、高吸附容量和氧化还原去除能力、层间纳米限域通道的光滑性和稳定性及抗污染等特性;然后重点综述了MoS₂基纳米孔膜、层叠膜和混合基质膜的制备方法及膜性能的影响因素;最后总结了MoS₂纳米片基水处理NF/RO膜未来发展亟待解决的关键问题,主要包括研究大尺寸纳米片和均匀亚纳米孔的可控制备方法,开发超薄、高度有序的MoS₂分离层构建方法,探索层间纳米限域通道内分子和离子的传输行为和潜在的分离机理,开发增强与聚合物基质界面相容性的改性策略,对下一代高性能水处理NF/RO膜的研发具有启发意义。     

CD-MOF二维层状膜制备及混合溶剂精准分离研究

随着膜分离技术的迅速发展,其应用于混合溶剂分离以替代传统高能耗精馏等操作受到了越来越多研究者的关注,但制备具有均匀亚纳米筛分孔的分离膜是其面临的挑战。利用苯甲酸诱导各向同性的环糊精金属有机框架（CD-MOF）三维立方颗粒产生错层结构,再通过液相超声剥离法制得CD-MOF纳米片,以此为构筑单元制备二维层状MOF膜。膜内CD-MOF纳米片含有丰富、连通且均匀的本征亚纳米孔（0.78 nm）,可识别分子间微小的尺寸差异,实现混合溶剂精准分离。如CD-MOF层状膜对溶解在苯中的均三异丙基苯与二异丙基苯混合液（摩尔比为1∶3）的分离因子达到7.4。此外,膜对溶解在甲醇中的甲基橙染料（1.0 nm）截留率达到99.6%,且甲醇通量达84.3 L·m^-2·h^-1·bar^-1。     

Enhanced water flux through graphitic carbon nitride nanosheets membrane by incorporating polyacrylic acid

Membranes assembled from two‐dimensional (2‐D) layered materials have shown potential use in water purification. Recently, a 2‐D graphitic carbon nitride (g‐C₃N₄) nanosheets membrane exhibits considerable separation performance in water purification. In this study, to further improve this water separation performance, polyacrylic acid (PAA) was introduced to tune the nanochannels formed between the g‐C₃N₄ nanosheets. The fabricated g‐C₃N₄‐PAA hybrid membranes possessed higher water flux without sacrificing much rejection rate compared with that of the g‐C₃N₄ membrane; however, noticeable fouling was observed upon addition of the PAA into the membrane composite structure. In addition, the effect of PAA on the morphology, surface hydrophilicity, separation performance, and antifouling properties of the g‐C₃N₄ membrane were examined in detail. Overall, incorporating PAA into the g‐C₃N₄ nanosheets membrane was an effective and convenient method to improve the water separation performance, which could promote the application of the 2‐D g‐C₃N₄ nanosheets membrane in practical ultrafiltration processes. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 2181–2188, 2018     

Recent progress of two-dimensional nanosheet membranes and composite membranes for separation applications

Two-dimensional (2D) materials have emerged as a class of promising materials to prepare high-performance 2D membranes for various separation applications. The precise control of the interlayer nanochannel/sub-nanochannel between nanosheets or the pore size of nanosheets within 2D membranes enables 2D membranes to achieve promising molecular sieving performance. To date, many 2D membranes with high permeability and high selectivity have been reported, exhibiting high separation performance. This review presents the development, progress, and recent breakthrough of different types of 2D membranes, including membranes based on porous and non-porous 2D nanosheets for various separations. Separation mechanism of 2D membranes and their fabrication methods are also reviewed. Last but not the least, challenges and future directions of 2D membranes for wide utilization are discussed in brief.     

金属-有机骨架材料在气体膜分离中的研究进展

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOF)由于具有高比表面积、大孔隙率、功能性孔道结构以及种类多样性等特征,在储气、分离、催化、载药和光学等领域受到重视。其中,制备纯MOF膜或基于MOF的混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)并用于气体分离,被认为具有潜在的应用前景。目前为止,实验合成的MOF材料种类已有两万种,为了快速筛选出合适的MOF材料作为膜材料,计算化学的方法可以极大地缩减MOF膜的研究周期,并有助于指导实验合成高效膜分离材料。本文分别从计算和实验两方面介绍了MOF膜在气体分离中的研究进展,分析表明,MOF膜的研究总体上向功能性更强、稳定性更高的方向发展,但是利用计算方法建立MOF膜的构效关系还存在一定的难度。因此,建立MOF膜的结构与性能表征的新概念、新方法,并利用MOF膜的结构-性能关系指导实验合成高稳定性、低成本的膜材料将是未来MOF膜的发展方向。     

全球气体膜分离技术的研究和应用趋势——基于近20年SCI论文和专利的分析

为把握整体气体膜分离产业研究和创新状况,在Web of Knowledge(WOK)平台的Web of Science®数据库和Derwent(德温特)专利数据库检索了有关气体膜分离技术的文献,并采用文献计量学的方法进行分析。结果表明,1995-2014年全球相关论文共2972篇,专利4266项。气体膜分离技术现处于研究的成长期,已形成核心作者群。气体膜分离材料的研究热点为混合基质膜、沸石膜和炭膜,但工业化应用以传统有机高分子材料为主,气体膜分离技术主要的研究和应用领域为氢回收、空分和脱碳。美国和日本的研究和应用优势较明显,我国气体膜分离的研发主体为高校和科研院所,尽管发文量位居世界第二,但科研质量和国际影响力仍需提高,科研成果转化率不高。预计未来气体膜分离的研究重点会在沸石膜和炭膜等新型膜材料的空间结构的设计合成和碳捕获的技术应用上,渗透汽化膜的应用和挥发性有机物(VOCs)分离也是未来的研究方向。     

聚乙烯胺/埃洛石纳米管混合基质膜的制备及其CO2/N2分离

制备高性能的气体分离膜,是实现CO₂高效回收的关键。为了提高CO₂分离膜的性能,将中空管状结构的埃洛石纳米管（HNTs）添加到聚乙烯胺（PVAm）中配制涂膜液,并将PVAm-HNTs涂膜液涂覆到聚砜（PSf）超滤膜上制备PVAm-HNTs/PSf混合基质膜。其中PSf超滤膜作为支撑层,PVAm-HNTs致密涂层作为功能层,功能层结构与形态对CO₂分离具有关键作用。采用XRD、SEM对HNTs的结构与形态进行表征,并借助FTIR和SEM对膜的形态与结构进行分析。在进料气为纯气条件下,系统地研究了HNTs添加量、进料压力、PVAm-HNTs涂层厚度对PVAm-HNTs/PSf膜的CO₂分离性能影响,并考察了混合基质膜的CO₂/N₂混合气分离性能。结果显示：在水溶液中显示正电性的PVAm与负电性的HNTs具有较好的界面相容性。HNTs添加量为1%（质量）、PVAm-HNTs湿涂层厚度为50 μm的混合基质膜,表现出最优的CO₂分离性能。在进料气压力为0.1 MPa、测试温度为25℃、CO₂/N₂（15/85,体积比）混合气进料的条件下,膜的CO₂渗透速率为178 GPU,CO₂/N₂选择性为83;该膜具有较好的稳定性,经过120 h运行后,渗透性和选择性仍能保持稳定。     

Perforative pore formation on nanoplates for 2D porous MXene membranes via H2O2 mild etching

MXene (Ti₃C₂T_x) is a novel, two-dimensional (2D) layered material that is atomically thin, exhibits good mechanical strength, and is ideal for fabricating efficient membranes for molecular separation. However, the applications of MXene membranes are limited by their low water permeability owing to narrow channels and high tortuosity. A novel strategy for introducing artificial pores on the surface of MXene nanosheets via gentle in situ chemical etching with hydrogen peroxide (H₂O₂) to prepare porous MXene nanosheets (PMS) is reported herein. This greatly increases the water permeability of MXene membranes while retaining the high rejection of small-molecule dyes. Permeable pores generated on MXene nanosheets transform the transport model of water molecules in the membrane from typical horizontal transport pathways dominated by interlayer channels to longitudinal–lateral three-dimensional transport pathways, affording increased water molecule transport channels and reduced transport distance. Based on different etching conditions, the obtained membranes exhibit high pure-water permeability ranging from 9.37 to 42.48 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹. Moreover, mild etching maintains the 2D structure of the membrane and retains a nearly complete rejection of congo red dye. This study provides a novel and effective strategy for preparing high-performance porous laminar MXene membranes for dye-separation applications.     

Perspective of mixed matrix membranes for carbon capture

Polymeric membrane-based gas separation has found wide applications in industry, such as carbon capture, hydrogen recovery, natural gas sweetening, as well as oxygen enrichment. Commercial gas separation membranes are required to have high gas permeability and selectivity, while being cost-effective to process. Mixed matrix membranes (MMMs) have a composite structure that consists of polymers and fillers, therefore featuring the advantages of both materials. Much effort has been made to improve the gas separation performance of MMMs as well as general membrane properties, such as mechanical strength and thermal stability. This perspective describes potential use of MMMs for carbon capture applications, explores their limitations in fabrication and methods to overcome them, and addresses their performance under industry gas conditions.     

Beyond graphene oxides: Emerging 2D molecular sieve membranes for efficient separation☆

Recent decades witnessed the significant progress made in the research field of 2D molecular sieve membranes.In comparison with their 3D counterparts, 2D molecular sieve membranes possessed several unique advantages like significantly reduced membrane thickness(one atom thick in theory) and diversified molecular sieving mechanisms(in-plane pores within nanosheets interlayer galleries between nanosheets). M. Tsapatsis first carried out pioneering work on fabrication of lamellar ZSM-5 membrane. Since then, diverse 2D materials typically including graphene oxides(GOs) have been fabricated into membranes showing promising prospects in energy-efficient gas separation, pervaporation, desalination and nanofiltration. In addition to GOs, other emerging 2D materials, including 2D zeolites, 2D metal–organic frameworks(MOFs), 2 D covalent-organic frameworks(COFs), layered double hydroxides(LDHs), transition metal dichalcogenides(TMDCs), MXenes(typically Ti_3C_2TX), graphitic carbon nitrides(typically g-C_3N_4), hexagonal boron nitride(h-BN) and montmorillonites(MT) are showing intriguing performance in membrane-based separation process. This article summarized the most recent developments in the field of 2D molecular sieve membranes aside from GOs with particular emphasis on their structure–performance relationship and application prospects in industrial separation.     

高通量抗污染氧化石墨烯膜研究进展

水资源短缺与水污染是21世纪人类面临的共同挑战之一。膜技术具有低能耗和低成本等优点，是一种绿色高效的水处理技术。氧化石墨烯具有分子级的厚度和优异的化学稳定性，是一种优异的二维膜材料，在水处理膜领域具有重要应用前景。综述了氧化石墨烯膜在水处理领域的研究进展，针对膜技术面临的通量低和膜污染的挑战，以氧化石墨烯膜通道和表面构建中的介尺度问题为重点，探讨了不同尺度插层材料对氧化石墨烯膜通道结构与分离性能的影响，并分析了氧化石墨烯膜抗污染表面构建策略及对不同尺度污染物的抗污染机制。最后，对高通量抗污染氧化石墨烯膜研究进行了总结和展望。     

仿鱼鳞PDA纳米片复合滤膜的制备及油水分离性能

以聚多巴胺(PDA)为原料、Mg(OH)₂为模板剂，采用液相沉积法原位包覆Mg(OH)₂纳米片制备了PDA纳米片，再以疏水棉布为基底，PDA纳米片为覆盖层制备了PDA纳米片复合滤膜(简称复合滤膜)。通过SEM、TEM、BET、FTIR、XPS、XRD和接触角测量仪对复合滤膜进行了结构表征，同时测定了复合滤膜对油水混合物和乳化油的分离性能、循环使用性能和抗污染性能。结果表明，PDA纳米片的引入显著地增加了复合滤膜的表面粗糙度，在自重作用下复合滤膜对油水混合物和乳化油(均以环己烷为油相)的渗透通量分别为2866.24和1015.13 L/(m²·h)，分离效率达99.5%，且复合滤膜在重复使用10次后，其对乳化油的渗透通量为798.11 L/(m²·h)，分离效率达98.1%。此外，PDA纳米片还具有普适性，能覆盖在不同基底上进行乳化油分离，具有良好的应用前景。