《Separation and Purification Technology》：Nanofiltration for emerging pollutants removal: Applications, structure-performance relationship and challenges
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摘要纳米过滤技术因其较高的水通量及有效的污染物去除能力，被视为处理饮用水中新兴污染物的有力技术。然而，其去除新兴污染物的机制以及实际应用中的局限性仍需进一步研究。本综述首先总结了纳米过滤在去除饮用水中新兴污染物方面的当前应用状况及存在的局限。通过整合来自各类文献的61种膜对260
摘要
纳米过滤技术因其较高的水通量及有效的污染物去除能力，被视为处理饮用水中新兴污染物的有力技术。然而，其去除新兴污染物的机制以及实际应用中的局限性仍需进一步研究。本综述首先总结了纳米过滤在去除饮用水中新兴污染物方面的当前应用状况及存在的局限。通过整合来自各类文献的61种膜对260种新兴污染物的截留数据，详细分析了纳米过滤膜在去除这些污染物时的结构与性能关系。此外，还探讨了用于去除新兴污染物的新分析框架以及纳米过滤膜材料的设计策略。现有研究表明，体积小、呈中性或正电荷的化合物难以被纳米过滤有效截留，亟需重点解决。尽管尺寸筛分是纳米过滤去除新兴污染物的主要机制，但准确描述水中新兴污染物的实际存在状态——如分子形状、水合状态以及膜微观结构——是精准预测其去除行为的重要前提。其他去除机制，如氢键作用、静电/疏水相互作用以及水相化学作用，也会通过吸附、排斥或与共存物质（如天然有机污染物、矿物离子）形成复合物等方式，显著影响新兴污染物的分配及孔内扩散行为。这些因素使得纳米过滤去除新兴污染物的结构与性能关系更为复杂。借助过渡态理论及机器学习技术的最新进展，通过对分子能量障碍的分析以及大规模数据集的模式挖掘，为超越传统传输模型来解析多尺度结构-性能关系提供了新途径。综合这些研究结果，下一代纳米过滤膜不仅要具备更小的孔径，还需能够更精确地调控孔径均匀性、电荷分布、亲水性以及特定相互作用。本综述系统梳理了纳米过滤技术在去除新兴污染物方面的当前研究进展与瓶颈，有望为推动该技术在实际应用中的发展提供科学依据。
引言
新兴污染物包括大量人为产生的及天然存在的物质，涵盖药品、个人护理产品、类固醇激素、工业化学品、农药以及多种有毒化学物质[66]。在过去50年里，已有约2万种具有潜在危害的化学物质在环境介质中被检测到，其中约1.5万种被列入优先控制清单[71]。尽管这类物质在水体中的浓度很低，但由于化学稳定性高且生物降解性差，它们仍对饮用水安全构成严重威胁[31]、[98]。因此，包括全氟和多氟烷基物质、农药以及抗生素在内的多种类别的新兴污染物已被纳入各国的监测或监管清单。例如，美国环保署制定的《国家主要饮用水法规》规定，PFOA和PFOS的最大允许浓度为0.004微克/升，而基于健康考虑，这两类物质的理想浓度应为零，这一标准显示出尤其是针对全氟和多氟烷基物质更为严格的监管力度。
诸如臭氧生物过滤[99]、活性炭吸附[129]以及生物处理等多种传统水处理工艺，在去除新兴污染物方面效果不佳[43]，甚至可能促使这些污染物发生危险性的转化并积累起来[45]。相比之下，膜分离技术依靠压力迫使溶液穿过分离屏障，能够有效去除包括联苯菊酯、氯虫苯甲酰胺、PFOA、PFDA和PFDS在内的小分子新兴污染物，同时还具有高效、无需相变以及操作简便等优点[8]、[136]。在现有的各种膜分离技术中，纳米过滤兼具较高的通量与良好的截留性能，已被广泛应用于饮用水处理过程。然而，对于饮用水中常见的中性及低分子量新兴污染物，纳米过滤的去除效果仍然不足。此外，新兴污染物种类繁多，其物理化学性质各异，导致它们的跨膜传输行为差异极大，而新兴污染物去除效率与膜结构之间的关联也尚未被充分理解。因此，尤其是商用纳米过滤膜在去除种类繁杂的新兴污染物时的整体性能仍不清楚[95]、[110]、[126]。
在广泛采用的DSPM-DE框架下，纳米过滤的分离机制通常被归纳为三种：尺寸筛分、静电相互作用以及介电排斥[112]。但由于新兴污染物的物理化学性质极为多样，它们被纳米过滤截留的程度可从几乎为零到几乎完全去除不等，许多化合物还表现出无法仅用传统机制解释的异常截留行为。越来越多的证据表明，氢键作用、范德华力以及疏水相互作用等新兴污染物与膜之间的相互作用，在决定其去除效率方面起着意想不到的重要作用[46]。目前的研究大多侧重于解释特定类型的膜对特定新兴污染物的去除机制，而对于准确测定新兴污染物的有效跨膜尺寸、识别决定其与膜相互作用的关键分子结构，以及进一步阐明与水合状态下的新兴污染物分子相关的介电排斥现象，相关研究仍然不足。同时，诸如溶液扩散模型以及DSPM-DE之类的传统膜传输理论，仍未能全面理解在实际水环境中新兴污染物的有效跨膜状态及其与膜之间的亲和力如何影响其传输行为，从而无法深入解析膜与新兴污染物的结构-性能关系。对传输机制的这种不完全理解，严重阻碍了为高效去除饮用水中的新兴污染物而合理设计纳米过滤膜材料的工作。
本研究分析了从Web of Science和Google Scholar中收集的142篇文献，时间范围涵盖[115]年至2026年。我们首先介绍了全球范围内具有代表性的饮用水处理厂在去除新兴污染物方面的现状，随后系统评估了纳米过滤技术在不同类别新兴污染物去除方面的性能，探讨了关键去除机制与膜结构特征之间的关系，即结构-性能关系，同时还介绍了过渡态理论及机器学习等新兴评估方法。最后，提出了用于开发新一代纳米过滤膜的设计原则，旨在降低新兴污染物对饮用水安全的威胁，并指出了该领域现有的知识空白及未来的研究方向。
章节节选
纳米过滤技术在饮用水处理厂中的应用
纳米过滤技术兼具能耗低以及能有效截留低分子量污染物的优点，已被广泛应用于水处理领域，尤其在饮用水生产方面展现出巨大潜力[19]、[39]、[63]、[111]。2019年至2023年间，全球纳米过滤膜市场的收入持续增长，达到了3.9676亿美元。在中国，纳米过滤技术也在越来越多的饮用水处理厂得到应用。到2026年，国内已安装的纳米过滤膜的总处理能力将达到310万至330万
纳米过滤去除新兴污染物的结构-性能关系
传统的膜分离理论，如DSPM-DE模型，认为膜的主要分离机制包括尺寸筛分、静电排斥、介电排斥以及溶质与膜之间的相互作用。因此，溶质的分子量、电荷、亲水性以及极性等特性都会对其去除效率产生重要影响。如图3a-b所示，我们采用了皮尔逊相关分析、斯皮尔曼相关分析以及部分斯皮尔曼相关分析
质量传输模型
传统的传输模型，如唐南-立体孔模型（DSPM）及其结合介电排斥效应的扩展模型DSPM-DE，是基于能斯特-普朗克方程和空间电荷模型发展起来的，用于对离子在膜上的传输行为进行通用描述[30]、[112]、[114]。在DSPM-DE模型的基础上，可以分别分析孔口分配、孔内扩散、对流、电迁移以及介电排斥等因素对新兴污染物去除的贡献程度
提高新兴污染物去除效率及提升新兴污染物/水选择性 的策略
鉴于新兴污染物种类繁多且物理化学性质十分复杂，要有效去除多种类别的污染物，最有效的办法是通过缩小膜孔径来强化尺寸筛分作用[59]。目前，通过在膜制备过程中添加交联剂（见图9a）[33]、优化制备参数[15]以及采用表面改性技术[6]、[40]、[68]等方法，已经成功提升了纳米过滤的处理性能
结论与展望
纳米过滤技术凭借其在保持较高水通量的同时还能有效阻止溶质透过的重要优势，为去除饮用水中的新兴污染物带来了巨大希望。本研究汇总的相关证据表明，对于那些体积相对较大或带有负电荷、以尺寸筛分为主要去除机制的新兴污染物，纳米过滤已经能够表现出较好的去除效果。不过，该技术的主要局限性在于目前对其去除机制的理解还不够全面
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52125003、52400016以及52522001）、中国科学院国际合作计划（项目编号：<-- -->032GJHZ2023019MI）的支持。
Siyi Zhao|Yaoyihan Luo|Chenghai Lu|Mingqi Zhang|Qikun Wang|Lei Xu|Chengzhi Hu
中国科学院区域环境与可持续性重点实验室、环境水化学重点实验室，生态环境研究中心，北京100085，中国
