用于水处理的催化反应膜的设计原则

《Nature Water》：Design principles of catalytic reactive membranes for water treatment

反应性纳滤膜通过表面或内部催化剂与氧化剂协同作用实现水污染治理，低流速下表面催化主导，高流速下内部催化更高效。选择性分离可减少有机质干扰，优化氧化剂-催化剂配对提升反应活性，同时纳滤膜能有效截留反应生成盐类以降低二次污染。

　　

摘要

反应性纳滤膜结合了催化转化和分子分离技术，用于去除多种水中的污染物。然而，其发展受到对溶质传输与化学反应之间相互作用理解不足的阻碍。本文通过系统性的建模方法评估了这些膜的性能，从而提出了关键的设计原则。高效的氧化剂传输对于最大化污染物降解至关重要。对于表面负载催化剂的膜而言，避免传输限制可以确保催化剂的有效利用；而对于内部负载催化剂的膜，则通过优化氧化剂的分配来提高氧化剂的利用效率。此外，选择性溶质排斥可以减少天然有机物的干扰，从而促进膜孔内更选择性的污染物转化。因此，在低渗透通量下，污染物转化主要由表面催化反应主导；而在高通量下，则由内部催化反应主导。然而，在最佳设计情况下，同时排斥氧化剂和污染物并不会提升表面催化处理的性能，这突显了膜选择性设计的必要性。除了去除有机污染物外，纳滤膜还能通过排斥催化反应过程中产生的盐类来减少二次污染。此外，通过策略性地选择氧化剂-催化剂组合，可以生成合适的反应物种，从而提升处理效果。本研究通过建立设计和优化反应性纳滤膜的理论框架，为先进水处理技术的发展提供了重要的见解。