提高膜材料的选择性和渗透性具有重要意义

　　分离作为一种性能高、占地面积小、设计模块化、自动控制方便的技术，已广泛应用于水处理领域。现有的膜材料可分为水透膜和溶质透膜。其中，水透膜主要包括反渗透膜（RO）膜、正渗透（FO）膜、纳滤（NF）膜、超滤（UF）膜和微滤（MF）膜主要基于尺寸位阻效应或Donan效应，截留水中相对较大的离子、分子和颗粒物；纯水设备溶质透膜主要包括离子交换膜（IEM）和液态膜（LM），在电场或浓差的驱动下，基于“溶解扩散”模型实现特定溶质的分离；膜蒸馏（MD）技术是基于不同物质的挥发性差异，实现水或挥发性物质的分离。

　　然而，尽管现有的膜材料和膜工艺可以满足大多数应用场景，但它们大多有“选择比/通量悖论”。也就是说，随着目标组件通量的提高，目标组件的选择比与竞争组件相比急剧下降，导致“选择比/通量”上限边界的存在（图2）。低通量会直接导致运行能耗的提高，而低选择比会降低产水水质，间接增加产生优质产品的运行成本。因此，提高膜材料的选择性和渗透性具有重要意义。

　　先进材料的发展提高了不同目标组分（表1）的选择性（相对于竞争组分）。其中，二维(2D)材料(如GO)、TMD、Mxene）(图3)等孔径材料(如多孔石墨烯，垂直排列CNTT、MOF、COF、液晶聚合物)可用于制备具有层压结构或等孔径结构的水透膜，基于空间位阻效应、Donnan效应和RO或NF过程，实现水或小离子与大离子和分子的选择性分离；离子交换膜涂层材料(如PSS)、PAH、PEI、等)和液体膜提取物(如LIX84)-I、LIX64N、DEHPA、PC88A等)可用于制备高选择性离子交换膜（IEM）或液态膜（LM）在电场或浓差的驱动下，基于“溶解扩散模型”的原理，实现目标离子或分子相对于水或其他竞争离子和分子的选择性分离。

　　在这些材料中，目标离子或分子的尺寸可以小于、等于甚至大于竞争性离子、分子和其他污染物；仿生水通道（如水通道蛋白、环化合物等）和离子通道（如Kcsa）、POF、CEA、PCH等。)材料可用于制备仿生膜，以实现水相对于离子或目标离子相对于竞争离子的高选择性和高通量分离(图6)。本文对各种材料的类型、功能和潜力进行了详细的分析和讨论。