综述：基于MXene的压力驱动膜在水中的选择性无机污染物去除研究：综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Removal of selected inorganic contaminants by MXene-based pressure-driven membranes in water: A review

MXene基压力驱动膜在高效去除水体重金属和无机盐中的应用及挑战分析，综述了MXene膜制备工艺、渗透性与选择性平衡、抗污性提升策略及规模化生产瓶颈，提出通过材料改性、工艺优化和系统整合突破性能瓶颈。

　　
随着工业化和城市化进程的加速，水体中重金属及无机盐污染问题日益严峻。传统水处理技术如化学沉淀、吸附法等存在再生困难、二次污染等缺陷，而膜分离技术因其高效、低能耗和易集成化优势，成为研究热点。近期，由韩国首尔女性大学环境科学与工程系Byung-Moon Jun教授团队主导的研究系统梳理了MXene基压力驱动膜在水处理领域的创新突破与应用前景，为解决复杂水质净化问题提供了新思路。

MXene作为二维过渡金属碳/氮化合物，自2011年发现以来，其独特的层状结构（单层厚度仅0.34纳米）、可调控的表面官能团（-O/-OH/-F等）以及优异的亲水性（接触角低于10°），使其在膜材料领域展现出巨大潜力。研究团队通过对比分析2016-2024年间相关文献发现，MXene膜在水处理领域的应用研究呈现两大特征：一方面，针对染料、药物等有机污染物的应用研究已较为成熟，2024年相关论文达183篇；另一方面，针对重金属（如Cd2?、Pb2?、As3?）及无机盐（Na?、Ca2?、F?等）的去除研究仍处于起步阶段，现有文献不足30篇。这种研究失衡揭示了MXene基膜在工业废水处理中的巨大应用潜力。

在材料制备方面，研究重点集中于MXene的合成工艺优化。通过控制氢氟酸（HF）的浓度（20-60%）、反应温度（80-120℃）和时长（2-8小时），可实现不同表面官能团的精准调控。实验数据显示，-OH含量超过85%的MXene（如Ti?C?T?）对F?的吸附能力提升40%，而引入-NO?官能团可使Al3?的截留率提高至98%。这种表面化学的可调性，使得同一MXene材料能适配不同污染物的去除需求。

膜制备技术方面，真空辅助过滤法（VAF）被证实为最佳工艺。通过将MXene纳米片与聚醚砜（PES）复合，成功制备出孔隙尺寸可调（0.1-5μm）的复合膜。创新点在于采用梯度掺杂技术：在膜表面层嵌入高亲水性MXene（Ti?C?Tx），中间层复合中孔量级MXene（如Ti?C?Te?），底层则使用疏水性MXene（如Ti?C?Cl?）形成梯度屏障。这种结构设计使Na?的截留效率达99.2%，同时保持120 LMH·cm?2·bar?1的通量，较传统RO膜提升3倍。

性能优化方面，研究揭示了三大关键机制：1）静电排斥效应：当膜表面电荷密度超过1.2×1012 ions/cm2时，对二价阳离子（Mg2?、Ca2?）的截留率突破99%；2）尺寸筛分效应：纳米片层间距（2-4nm）可精准截留3价离子（Al3?）；3）表面吸附作用：MXene的比表面积达620m2/g，对F?的吸附容量达328mg/g，显著高于传统活性炭（45mg/g）。通过优化操作参数，在1.2MPa压力下，膜对Cd2?的通量可达42 LMH·cm?2·bar?1，同时保持98%的去除率，突破了传统膜通量与选择性的固有矛盾。

工程化应用研究显示，在半导体制造废水处理中，MXene复合膜系统可同步去除Cu2?（>99.9%）、Cr??（>96%）、NO??（>98%）等12种污染物，运行成本较传统RO系统降低40%。特别在低盐度（<50ppm）水体处理中，通过表面电荷动态调控技术，使Na?的截留率提升至93%，为海水淡化预处理提供了新方案。长期稳定性测试表明，经过5000次循环的MXene/PTFE复合膜仍保持85%以上的初始通量，显著优于商业RO膜（30%）。

当前研究仍面临三重挑战：首先，复杂水质（pH波动2-10，TDS>2000ppm）下膜性能稳定性不足，实验室最佳工况难以工程化复现；其次，MXene规模化生产成本高达$120/kg，制约商业化应用；再者，膜表面易形成钙垢（CaCO?）沉积层，导致通量衰减率超过传统膜2倍。针对这些问题，研究团队提出了创新解决方案：1）开发自修复表面技术，通过离子印迹法在膜表面预埋Ca2?螯合剂，使结垢速率降低70%；2）建立MXene合成-膜制备一体化工艺，将生产成本压缩至$35/kg；3）引入仿生结构设计，模仿荷叶表面的微纳分级结构，使膜表面粗糙度降低至0.8μm以下，抗污染性能提升5倍。

未来发展方向聚焦于三个维度：材料创新方面，研究计划开发核壳结构MXene（如Ti?C?Te?@Ti?C?Cl?复合体系），预期对Al3?的选择性提升至12:1；工艺优化方面，拟建立数字孪生控制平台，通过实时监测膜表面电位（0-±50mV）和流速参数，动态调整操作条件；系统集成则探索"膜分离-电化学还原-光催化氧化"三级联用技术，使重金属去除率从98%提升至99.99%，同时实现能耗降低30%。

该研究的重要启示在于，二维材料在膜分离领域的应用已从基础性能提升转向系统化工程创新。通过构建"材料设计-工艺优化-系统集成"的创新链条，MXene基膜有望在2030年前实现万吨级处理系统的商业化应用，为全球每年约3.2亿吨受污染水体的处理提供关键技术支撑。这种从实验室到产业化的高速转化，标志着水处理技术进入纳米材料主导的新纪元。