综述：利用选定的基于纳米材料的膜从水中去除全氟和多氟烷基物质及纳米塑料：综述

《Environmental Research》：Removal of per- and polyfluoroalkyl substances and nanoplastics from water using selected nanomaterial-based membranes: A review

　　金敏贞|郑奉妍|金思叶|朴昌民|闵章|俊秉文|尹叶敏
韩国首尔Ewha女子大学环境科学与工程系，邮编03760

**摘要**
基于纳米材料的膜因其独特的物理化学性质和多功能性而成为先进水净化技术的有希望的候选者。选择MXenes、MOFs和GO是因为它们代表了互补的膜平台：MXenes提供亲水性和导电性的层状通道，MOFs提供可调的孔隙率和吸附位点，而GO则提供含氧官能团和二维传输路径。基于MXenes的膜表现出强烈的亲水性、可调的表面终止结构和高导电性，这有助于通过静电相互作用和尺寸排阻作用去除持久性有机污染物（如全氟和多氟烷基物质PFASs）以及新兴污染物（如纳米塑料NPs）。基于金属有机框架（MOF）的膜由于其高孔隙率和结构多样性，进一步提高了水通量和选择性分离效果；而基于氧化石墨烯（GO）的膜则增强了抗污染能力，并实现了氢键和静电相互作用。结合MXenes、MOFs和GO的混合和复合结构实现了高通量、高保留效率和抗污染性的协同性能。然而，这种混合膜的经济可行性取决于减少纳米材料的使用量、简化合成路线、最小化溶剂和能源消耗，并确保在不牺牲分离性能的情况下实现可扩展制造。尽管取得了这些进展，但在可扩展性、长期稳定性以及在盐类、重金属和天然有机物共存并干扰膜分离的多污染物条件下的性能方面仍存在重大挑战。解决这些问题需要多功能设计、更环保的制造策略以及与催化或电化学过程的整合，以确保可持续和耐用的运行。因此，本综述全面概述了基于MXenes、MOFs和GO的膜在去除PFASs和NPs方面的最新进展，重点介绍了分离机制、性能结果和未来方向，核心信息是实际应用需要同时考虑去除效率、通量稳定性、材料耐久性、可扩展性以及在现实多污染物水条件下的性能。

**引言**
纳米塑料（NPs）和全氟及多氟烷基物质（PFASs）是广泛存在的人为污染物，正迅速成为主要的环境问题[1]。由于NPs和PFASs在自然环境中的持久性，它们可能会留在环境中并最终接触到动物和人类[2]、[3]。NPs通常定义为至少有一个维度小于1 μm的塑料颗粒，这一尺寸范围通常用于将它们与较大的微塑料区分开来[4]、[5]。它们在水环境中的行为受颗粒大小、形状（珠状、纤维状、薄膜状和碎片状）、聚合物组成、表面电荷、疏水性、表面积和粗糙度等物理化学性质的影响[4]、[5]。NPs通常由聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等聚合物制成[6]。

PFASs是另一类令人关注的人为持久性污染物。PFASs的特点是碳-氟键强，包括氟聚合物、全氟聚醚、全氟烷基酸及相关前体。它们在工业和消费品中的广泛使用导致在水、空气、食品和生物样本中普遍检测到[7]。PFASs在工业和消费品中的广泛应用使其在水、空气甚至食品中普遍存在[2]、[3]、[8]、[9]。NPs可以通过呼吸或摄入捕获并携带有毒化学物质到生物体内，从而导致生物累积[10]。此外，即使极低浓度的PFASs（亚μg/L）也对生物体有害[11]。除了单独的作用外，NPs和PFASs还可以发生化学相互作用，进一步增加其毒性。例如，同时暴露于NPs会增加贻贝中全氟辛酸磺酸盐（PFOS）的生物累积和活性氧水平[12]。此外，生长和繁殖障碍、氧化应激、脱氧核糖核酸损伤和基因毒性都是PFASs和NPs的体内效应[11]。纳米颗粒与PFASs之间的相互作用在自然条件（如氢键、疏水相互作用、范德华力和静电吸引力）和环境条件（如温度、pH值、天然有机物和背景离子）下可能会被放大或减弱[11]。最近的共暴露研究表明，微塑料和纳米塑料可以作为其他环境污染物的载体和毒性调节剂。例如，据报道聚乙烯微塑料会加剧阿维菌素对斑马鱼的眼睛毒性，而聚苯乙烯NPs会在斑马鱼胚胎发育和成年暴露期间加剧双氯芬酸的毒性[13]、[14]。这种协同毒性可能是由于共存污染物在塑料表面的吸附，这增加了局部污染物浓度，改变了生物可利用性和吸收，并通过尺寸、电荷和疏水性依赖的相互作用促进了氧化应激。这些发现表明，PFASs和NPs应在更广泛的共污染物框架内进行考虑，因为农药、药物、重金属、天然有机物和背景离子可以改变颗粒聚集、表面相互作用、膜污染和明显的去除行为。此外，最近还有研究将微塑料和纳米塑料视为PFASs的潜在载体，进一步支持了在复合污染物条件下评估PFASs和塑料颗粒去除的必要性[11]、[15]。

**各种物理化学和生物处理方法**
已经探索了多种物理化学和生物处理方法来去除水环境中的PFASs和NPs[16]、[17]。离子交换树脂已被专门用于从废水中去除14种PFASs[3]。然而，传统的基于吸附的PFASs去除技术对于短链（C6）和超短链（C3）PFASs的效果有限[18]。生物吸附已成为去除NPs的潜在方法。除了生物吸附外，还提出了生物处理方法作为净化受污染水的环保策略[19]。最近的研究探讨了利用微生物生物膜来增强NPs的生物吸附[20]。尽管已经探索了多种去除NPs和PFASs的处理方法，但基于膜的处理技术最近成为最广泛研究的领域[21]、[22]。与传统的基于吸附或生物吸附的方法不同，先进的基于纳米材料的过滤技术可以使用耦合性能指标进行评估，如去除效率、水通量或渗透性、抗污染能力和操作稳定性，这些将在以下部分和总结表中详细讨论。

**最近的研究进展**
最近，基于纳米材料的膜在从各种表面去除NPs和PFASs方面展示了显著的潜力[22]。在废水处理中，经常将MXenes、金属有机框架（MOFs）和氧化石墨烯（GO）等纳米材料集成到膜中，实现了对NPs和PFASs的高度选择性去除[21]。MXenes由于其丰富的元素、大的表面积、优异的导电性和无毒的分解产物，能够有效去除水中的PFASs、NPs和重金属[23]、[24]。MOFs和MXenes都因其通过吸附物-吸附剂相互作用、吸附和降解机制在污染物去除和降解应用中的能力而被广泛研究[25]、[26]、[27]。特别是，通过调整MOFs的孔隙大小以匹配NPs和PFASs的孔隙大小，可以更好地捕获和保留塑料颗粒[25]。GO也因其快速的吸附动力学和高容量而在吸附和过滤应用中得到广泛应用[28]。为了提高基于纳米材料的膜的吸附效率，必须优化pH值、温度和离子强度等环境条件以适应目标污染物。

**结论**
尽管先前的研究已经调查了基于纳米材料的单个膜或单一污染物去除系统，但比较基于MXenes、MOFs和GO的膜在去除PFASs和NPs方面的综合研究仍然有限。这三种膜平台特别相关，因为它们提供了互补的分离功能：MXenes提供具有可调表面终止结构的亲水性和导电性层状通道，MOFs提供可调的孔隙率和特定的吸附位点，GO提供含氧官能团和二维传输纳米通道。这些性质直接关系到PFASs和NPs的主要分离机制，包括静电相互作用、尺寸排阻、氢键、疏水相互作用、π–π相互作用和滤饼层过滤。因此，本综述总结了基于MXenes、MOFs和GO的膜在去除PFASs和NPs方面的制备方法、物理化学性质、操作条件、通量-排斥关系、分离机制、可扩展性和未来挑战。具体来说，本综述整合了材料平台、目标污染物特性、膜性能以及在现实多污染物水条件下的实际应用问题。

**部分摘录**
**基于纳米材料的膜的制备方法**
用于制备基于纳米材料的膜的方法取决于纳米材料的类型（如碳纳米管、GO、MOFs、纳米纤维和MXenes）以及膜的属性[22]。常见的制造技术包括相转化、界面聚合、真空过滤、逐层组装、分子层沉积和原子层沉积[29]。这些方法对于将纳米材料集成到膜中并提高其适用性至关重要。

**膜的物理化学性质和操作条件**
**MXenes：**基于MXenes的膜的PFASs去除效率受多种物理化学性质的影响，包括Zeta电位、孔径和接触角[50]、[51]、[52]。膜物理化学性质的变化以及膜与PFASs之间的相互作用可以解释Ti3C2Tx MXene–聚酰胺膜去除效率的提高[29]。去除效率还取决于Ti3C2Tx膜的形状和厚度[31]。

**未来研究的前景/挑战**
尽管基于纳米材料的膜在实验室中展示了显著的潜力，但在它们能够广泛应用于水处理之前仍存在几个挑战。最显著的局限性是其可扩展性和长期稳定性。当前的制造方法往往难以大规模生产具有均匀纳米材料分布的膜。此外，膜的稳定性需要克服孔塌陷、氧化、水解和在高压力下的压缩等问题。

**结论**
基于纳米材料的膜的最新进展突显了它们在去除持久性有机污染物（如PFASs）和新兴污染物（包括NPs）方面的巨大潜力。MXene膜表现出显著的亲水性、高电导率和可调的表面终止结构，使得强烈的静电和尺寸排阻相互作用成为可能，从而有效保留PFASs和NPs。同样，MOF膜提供了高孔隙率和结构多样性。

**作者贡献声明**
闵章：撰写——审稿与编辑、资源准备。
俊秉文：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。
尹叶敏：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
金敏贞：撰写——初稿、方法学、数据分析、概念化。
郑奉妍：撰写——初稿、数据分析、概念化。
金思叶：软件、资源准备、调查。
朴昌民：软件、资源准备、调查。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号RS-2023-00272059、RS-2024-00512818和RS-2025-00554489）。