综述：具有自修复和自清洁功能的先进智能海水淡化膜在反渗透过程中的应用——综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Advanced and smart desalination membranes with their self-healing and self-cleaning properties in the reverse osmosis process - A comprehensive review

　　摘要

鉴于全球水资源短缺的问题，探索替代水源并开发高效的净化技术至关重要。其中，利用基于膜的 reverse osmosis（反渗透）技术进行海水淡化被认为是一种有前景且可持续的策略。然而，目前的淡化膜面临诸多挑战，包括机械强度有限、水压影响、温度变化、水渗透性、可回收性、盐分排斥能力、孔隙率、耐氯性以及生物污染等问题。尽管大多数现有的综述研究主要关注淡化技术及其技术方面，但本文综述重点关注了新型设计的先进海水淡化膜，特别是那些具备自修复、自清洁和形状记忆特性的膜，这些特性得益于 thermosalient（跳跃）晶体的作用。此外，本文还讨论了通过在外部刺激（如光或紫外线照射）存在与否的情况下，实现疏水性和亲水性膜状态之间的可逆转换而获得的抗氯性和抗污染性能。自修复和自清洁机制显著延长了膜的寿命，优化了 reverse osmosis 的性能，从而降低了运营成本、能耗并提高了淡化效率。

此外，本文评估了引入新的功能性基团（如 H、-COOH、OH-、NH3、O、F- 和 ?COO?）在提高海水盐分离效果中的作用。还讨论了在膜上集成纳米粒子（包括 MXene、氧化石墨烯、氧化铁和氧化锌）的方法。这些改性措施改善了孔隙分布、增强了膜层排列、提高了润湿性、增强了机械强度，并使得淡化性能媲美商用膜。

总体而言，本文为淡化技术提供了新的途径，并对智能淡化膜及其在 reverse osmosis 过程中的可持续应用提供了新的见解。

引言

水是所有生物（包括植物、动物、微生物和人类）的基本资源。这一重要资源必须受到保护，免受各种威胁。不幸的是，对清洁水的需求快速增长以及过度污染构成了重大挑战。工业活动每天消耗大量淡水并产生大量废水，再加上降雨不足和地下水枯竭，进一步加剧了水资源短缺的问题[1]。目前，全球近三分之一的人口面临淡水短缺[2]。因此，通过创新、高效且经济可行的技术为全世界提供清洁饮用水已成为当务之急。海水淡化是解决全球水资源危机的一个有前景的方案。海水是地球上最丰富的水资源，占地球表面的70%以上[3][4]，既可以用于生活饮用，也可以用于工业用途。然而，由于其高盐度，直接使用海水是不合适的。因此，通过淡化海水来满足额外的淡水需求成为了一种解决方案[3]。海水淡化的主要挑战之一是实现淡水生产的经济效率；也就是说，淡化过程应在降低能耗和环境影响的同时产生大量淡水。

淡化厂在不同地区的规模（大或小）和所采用工艺上存在差异。它们可以用于单一目的（如仅生产淡水），也可以用于多种用途（包括水生产和电力生成）。一般来说，淡化系统都包含共同的处理步骤，首先是预处理过程（如混凝-絮凝），接着是超滤、脱氯，最后是浓盐水排放。图3展示了淡化厂的典型阶段[5]。

任何淡化系统的核心是盐分分离过程，该过程大致可分为两类：热法过程（如膜蒸馏（MD）、多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）；以及物理过程（如电渗析（ED）、离子交换膜、膜过滤（MF）和 reverse osmosis（RO）膜[6]。每种技术都有其优缺点。多级闪蒸（MSF）能产生大量淡水，并且可以在90-120°C的温度范围内处理盐度高达45,000 ppm的海水。然而，MSF 存在腐蚀问题、能耗高、回收率低和维护成本高的缺点。相比之下，多效蒸馏（MED）在较低的温度范围（50-70°C）下运行，减少了腐蚀和结垢问题。不过，MED 需要高质量的材料并对产水进行额外冷却。最后一种热法技术是膜蒸馏（MD）。与 RO 不同，MD 依靠温度梯度而非压力，利用具有小孔隙、高表面积和低表面能的疏水膜来去除盐分。在 MD 中，加热的进水在薄膜表面蒸发，非挥发性盐分被膜截留，而水蒸气在较冷的一侧凝结，生成可饮用的水。尽管 MD 耗能较少、运行温度较低，并且能分离非挥发性物质，但它常常受到污染和结垢问题的限制。

另一方面，离子交换膜（IEM）通过化学势梯度作为离子从水中传输到膜的选择性屏障，尤其是在淡化过程中对钠离子的作用。此外，IEM 还用于资源回收和可再生能源技术。然而，其性能受到结垢、膜生物污染、化学不稳定性和频繁树脂再生带来的高运营成本等挑战的制约。

在所有淡化技术中，reverse osmosis（RO）在全球安装的淡化能力中占据主导地位。RO 利用外部压力将水推过半透膜，同时排斥溶解的盐分。由于其高效的盐分排斥性能、结构稳定性和低成本，RO受到了更多关注。传统的reverse osmosis 海水淡化膜主要基于薄膜复合（TFC）膜，该膜具有交联的芳香族聚酰胺选择性层，由多孔聚砜基材支撑。除了传统材料外，还研究了聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯（PP）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和纤维素基材料等聚合物在膜改性及先进膜系统开发中的应用。尽管这些膜具有有效的盐分排斥能力，但它们在机械性能（高压、温度变化、形状记忆、裂纹）、物理性能（孔径大小、体积、孔隙率）、抗污染性、耐氯性、亲水性和疏水性污染物以及可回收性等方面仍存在明显限制[7][8]。

为了克服这些限制，人们投入了大量研究努力来开发新一代 reverse osmosis 用淡化膜。例如，Hong 等人报告称，在碳纳米管（CNT）膜中引入具有高偶极矩的新化学功能基团可以改善盐分排斥性能，CNT 边缘在高达 10.2 L.cm-2·day-1 MPa-1 的水流渗透率下过滤掉了超过95%的盐分[9]。Safaei 等人实验表明，氧化石墨烯膜中的羟基和环氧基团在钠离子保留中起着重要作用。他们发现，在短时间内（14 ns）实现了超过一半的水分子净化，且去除了94%的盐分[10]。此外，Liu 等人研究了一种对温度变化具有优异响应性的新型双网络水凝胶（TDN），用于淡化微咸水。结果表明，在盐浓度为15 g/L、pH值在7.5到10之间的条件下，钠离子的选择性从4.53提高到7.17 gNa+/gTDN，展示了出色的淡化性能和离子选择性[7]。

因此，本文为开发具有形状记忆行为、自修复能力和自清洁特性的智能淡化膜铺平了道路[8]。此外，它还重点介绍了通过向膜中引入新功能基团来开发新型先进的功能化膜，这些基团显著提高了盐分排斥性能、机械稳定性、抗污染性能、耐氯性和对亲水性和疏水性污染物的抵抗能力[11]。本文还探讨了使用氧化铁、氧化锰、氧化锌、二氧化钛[12]、碳纳米管和氟等纳米粒子对膜表面进行改性的效果，证明了它们在提高 reverse osmosis 深化过程中膜耐用性、水通量和压力抵抗性方面的有效性[13]。

基于这些发展，智能淡化膜的最新进展逐渐从传统的被动分离系统转向多功能膜平台，这些平台能够同时提高渗透性、抗污染性和长期运行稳定性。例如，Meng 等人发现，在碳布上集成 TiO?/Ti-MOF 纳米棒阵列显著增强了光吸收和光催化活性，实现了太阳能淡化过程中的高效自清洁[14]。同样，Bi 等人开发了一种 MoO?@ZIF-8/PAES-CF? 纳米纤维膜，该膜具有出色的抗湿润特性和稳定的自清洁性能，突显了基于 MOF 的混合架构在可持续膜蒸馏中的潜力[15]。最近，Chen 等人报道了一种基于 NiFe-MOF 和碳量子点的多功能纳滤膜，该膜在保持优异光催化自清洁性能的同时实现了高水渗透率，从而克服了渗透性和膜耐久性之间的传统trade-off[16]。在另一种创新方法中，Gao 等人引入了卤素过氧化物酶辅助的光热界面，在实际海水条件下有效抑制了生物污染并促进了连续的盐分自清洁，为长期膜运行迈出了重要一步[17]。此外，Mehrdad 等人证明，PVDF/MXene 光热疏水膜通过增强的光热转化和膜稳定性显著改善了 reverse osmosis 浓缩液的太阳能驱动淡化效果[18]。总的来说，这些最新研究说明了从单一功能膜设计向集成智能膜系统的明显转变，这些系统结合了光催化、光热、抗污染和自清洁功能。这一发展突显了开发耐用且节能的淡化膜的日益重要性，以满足长期水处理应用的实际需求。

文献搜索与综述方法

本工作中回顾的文献是通过综合搜索 Scopus、Web of Science 和 ScienceDirect 数据库收集的，特别关注专注于淡化、水处理技术、膜科学、分离过程和化学工程领域的领先同行评审期刊的最新出版物。搜索范围主要涵盖2020年至2026年间发表的研究，特别关注2025年和2026年的最新进展。

海水淡化技术

淡化过程涉及去除海水中的离子和溶解固体，以提供符合国际标准的饮用水，确保人类健康、环境可持续性和生态平衡。这项技术自1850年以来已在全球范围内得到广泛应用[19]。有多种海水淡化技术，其中热法通常由于能耗高而不适合大规模工业应用。

先进的功能化淡化膜

科学技术的进步为膜淡化领域带来了创新解决方案的发展。设计新型膜仍然是一个真正的挑战。本文综述研究了先进的功能化膜，这些膜代表了淡化技术的新时代，并为智能 reverse osmosis 膜的发展提供了基础平台。这些膜在孔隙率、孔径分布和表面积等方面表现出改进的性能。

基于纳米粒子的淡化膜

纳米粒子已成为先进 reverse osmosis 膜设计中的不可或缺的组成部分，使其作用超出了传统膜改性的范畴。通过引入功能性纳米材料，可以精确调整膜的亲水性、渗透性、机械强度、耐氯性和抗污染性等特性。更重要的是，纳米粒子为集成智能膜特性提供了功能平台。

先进功能化膜的作用和功能

先进功能化膜通过结合功能基团和纳米材料，显著扩展了传统 reverse osmosis 膜的能力，提高了膜的性能。这些改进不仅增强了关键特性（如水渗透性、盐分排斥性和抗污染性），还为开发具有自清洁、自修复和响应刺激特性的智能 RO 膜系统奠定了基础。表2展示了具有自清洁和自修复能力的智能淡化膜。

开发用于淡化应用（尤其是 reverse osmosis）的智能、动态膜仍是一个关键挑战。基于膜功能化和纳米材料工程的进步，当前的研究越来越多地关注将自修复和自清洁能力集成到膜系统中。这些智能特性通过减轻预处理和 reverse osmosis 运行过程中的污染和损伤，提高了膜的耐久性。

挑战与未来展望

尽管在智能淡化膜方面取得了显著进展，但将这些技术从实验室研究转化为大规模 reverse osmosis 应用仍然是一个重大挑战。未来的发展应该专注于设计多功能膜材料，这些材料能够在不损害水渗透性、盐分排斥性能或机械稳定性的前提下，同时具备自修复、自清洁、形状记忆、抗氯腐蚀和防污等功能。结论：脱盐技术在提供和确保符合卫生与健康标准的优质饮用水方面发挥着关键作用，尤其是在经历快速城市化的干旱地区。本研究强调了向下一代先进且智能的脱盐膜技术的转变，这类膜材料具有自修复和自清洁性能，在紫外线照射下表面亲水性增强，同时具备高水渗透性和优异的盐分排斥能力，从而有效应对了相关挑战。

作者贡献声明：
Ayoub Belcaid：撰写内容（包括审稿与编辑、初稿撰写）、方法论设计、数据分析与整理。
Nissrine Drioui：概念构思、数据管理、数据分析与整理、方法论设计、软件应用、初稿撰写、审稿与编辑。
Buscotin Horax Beakou：概念构思、数据管理、数据分析与整理、方法论设计、项目监督、结果可视化、初稿撰写、审稿与编辑。

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已知财务利益冲突或个人关系。

作者信息：
Ayoub Belcaid | Buscotin Horax Beakou | Nissrine Drioui
所属机构：摩洛哥穆罕默德六世理工学院（Mohammed VI Polytechnic University, UM6P）高通量多学科研究实验室（High Throughput Multidisciplinary Research Laboratory, HTMR），地址：Ben Guerir 43150，摩洛哥。