二维纳米材料在渗透汽化脱盐膜中的应用_陈仪.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期 二维纳米材料在渗透汽化脱盐膜中的应用陈仪1，郭耀励1，2，叶海星3，李宇璇1，牛青山1（1深圳大学高等研究院，广东 深圳 518000；2中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580；3中国石油大学(华东)材料科学与工程学院，山东 青岛 266580）摘要：渗透汽化（PV）具有预处理要求低，截留率及水回收率高、抗污染性强等优势，在水处理尤其是高盐废水处理方面具有巨大的应用前景。但目前PV脱盐技术的分离效率较低、稳定性差、抗污染性能欠佳的劣势限制了PV膜在分离膜技术的应用和认可。新型膜材料如二维纳米材料的引入使得PV膜从材料到性能都有了较大提升，被认为是提高PV膜脱盐性能的有效手段。本文首先介绍了PV脱盐技术的分离机理，并从3个方面综述了二维纳米材料在制备PV脱盐膜中的应用现状：二维纳米材料的分类与合成方法、PV复合脱盐膜的制备途径与稳定性提高策略以及二维纳米材料对PV膜特性及脱盐性能的影响。文中指出现有的PV传质模型存在较大局限性且新型二维纳米材料的合成方法较难，为了进一步提高PV复合膜的性能并降低制备成本，还需完善PV复合膜的传质机制并优化二维纳米材料的制备工艺。关键词：渗透汽化；二维纳米材料；脱盐；膜；复合材料中图分类号：TQ028.8文献标志码：A文章编号：1000-6613（2023）03-1437-11Application of two-dimensional nanomaterials in pervaporationdesalination membraneCHEN Yi1，GUO Yaoli1，2，YE Haixing3，LI Yuxuan1，NIU Q.Jason1(1Institute of Advance Study,Shenzhen University,Shenzhen 518000,Guangdong,China;2State Key Laboratory of HeavyOil Processing,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China;3School of MaterialsScience and Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong,China)Abstract:Pervaporation(PV)possesses advantages such as the low requirement for feed water,highrejection and water recovery rate,and strong fouling resistance.Therefore,PV desalination can becompetitive with other desalination technologies,especially for high-salinity brine.Current applicationsof PV desalination however are limited due to its relatively low separation efficiency,stability and foulingresistance.The introduction of novel membrane materials such as two-dimensional(2D)nanomaterials isconsidered to be an effective means to improve both the material properties and performance of PVdesalination membranes.In this paper,a brief introduction to PV desalination technology is initiallygiven.Then,the research status of two-dimensional nanomaterials in the field of PV desalination isreviewed from three perspectives:the properties and synthesis methods of nanomaterials,the preparation综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0967收稿日期：2022-05-24；修改稿日期：2022-08-10。基金项目：国家自然基金委联合基金重点项目（U2006230）；深圳市科创委基础研究面上项目（JCYJ20210324095202008）。第一作者：陈仪（1998），女，硕士研究生，研究方向为渗透汽化脱盐。E-mail：。通信作者：牛青山，教授，博士生导师，研究方向为膜材料与水处理。E-mail：。引用本文：陈仪,郭耀励,叶海星,等.二维纳米材料在渗透汽化脱盐膜中的应用J.化工进展,2023,42(3):1437-1447.Citation：CHEN Yi,GUO Yaoli,YE Haixing,et al.Application of two-dimensional nanomaterials in pervaporation desalination membraneJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1437-化工进展，2023，42（3）and modification strategies of nanocomposite membranes,and the influence of 2D nanomaterials on the properties and desalination performance of PV membranes.It is pointed out that the existing PV mass transfer model had great limitations and the synthesis of new two-dimensional nanomaterials faced great difficulty.To further improve the performance of PV compositemembranes and reduce the preparation cost,it is necessary to clarify the mass transfer mechanism of PV composite membrane and optimize the fabrication method of two-dimensional nanomaterials.In general,two-dimensional PV nanocomposite membranes with excellent separation performance and physicochemical properties will play an important role in the field of desalination.Keywords:pervaporation;2D nanomaterials;desalination;membrane;composites随着全球人口的快速增长及工业的日益发展，淡水资源短缺问题成为人类社会发展中遇到的重大挑战之一1。目前，已超过20亿全球人口面临生活用水资源紧张的问题，而且全球气候变暖将导致8%的世界人口陷入新的缺水危机2。据报道，中国的人均淡水量仅为全球人均占有量的34%，并且在空间上分布不均，同时还面临水质污染加剧的双重考验3。2019年发布的国家节水行动方案强调了对非常规水（海水、雨水、矿井水和苦咸水）的有效利用，同时在沿海地区推广海水淡化工程自主技术和装备的应用。脱盐技术可以实现海水及苦咸水的淡化与高盐工业废水的资源化利用，成为解决现有水缺乏和水污染问题的有效手段。目前主流的脱盐技术分为热法脱盐技术和膜法脱盐技术，其中膜脱盐技术与传统的热蒸馏技术相比具有更高的能源效率与运行稳定性，并且易于集成和规模化，得到广泛的工业应用4。渗透汽化（pervaporation，PV）也称渗透蒸发，这一概念早在 1917 年被 Kober 提出，并于1956年成功被利用于实现乙醇和水的分离5。目前渗透汽化已在有机物脱水中实现了商业化应用，并作为新兴的膜脱盐技术被广泛研究应用于高盐浓度废水的处理中6。与其他脱盐技术相比，渗透汽化技术具有预处理要求低、截留率和水回收率高等优势7。但是目前传统的PV脱盐膜分离效率相对较低，在相同能耗条件下（24kWh/m3），反渗透脱盐技术的通量可达3060L/(m2h)，而PV脱盐技术的通量仅为0.0515L/(m2h)，制约了其大规模化的应用8。因此，开发出具有高分离性能的PV膜材料成为PV脱盐领域的研究重点。近年来，二维纳米材料因具有良好的拓扑结构、低质量密度以及结构多样性的独特性能，在材料科学和分离技术领域都受到了极大的关注9-10。大量的研究发现，通过控制二维纳米材料片层间的堆叠距离和方式，可以实现片与片之间纳米通道的构筑和精密调控，使其具备精确和快速的分子传输特性，强化了分离膜的传质机制，优化了分离膜性能，加深了对于膜通道结构与分离性能之间关系的理解和认识。在渗透汽化脱盐膜领域，可以通过加入二维纳米材料制备具有优异分离性能、稳定性以及抗污染性能的PV纳米复合脱盐膜。其中极具应用潜力的二维层状材料包括氧化石墨烯（GO）、二维过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）、纳米沸石片。本文综述了近年来国内外基于二维纳米材料的PV脱盐膜研究中取得的重大进展，主要包括二维纳米材料的分类、制备方法及其在纳米复合PV脱盐膜中的应用，最后还展望了二维纳米材料在PV脱盐领域的研究和发展方向。1 PV脱盐技术概述1.1 渗透汽化脱盐原理及过程渗透汽化膜技术是利用进料组分的溶解度和扩散率的差异允许特定组分通过膜的一种热驱动过程5。在渗透汽化脱盐过程中，水蒸气在蒸气压差的驱动下，通过溶解扩散过程透过PV脱盐膜，经过冷凝装置实现液态水的收集，从而实现水盐分离。PV分离过程中需要保持膜两侧的蒸气压差，通过对原料进行加热以提高蒸气压，同时在渗透侧保持一个低的蒸气压（真空、吹扫气体或降温冷凝）7。1.2 渗透汽化脱盐传质模型由于PV机理较复杂，只有少量经验模型用来描述其分离机制，如孔流模型、总溶剂体积分数模型和溶解扩散模型5。目前，溶解扩散模型被大家广泛认可，比较适用于解释传统的亲水PV致密膜的传质机理，如具有交联聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）亲水性功能层的PV聚合物脱盐膜，14382023年3月陈仪等：二维纳米材料在渗透汽化脱盐膜中的应用因为该PV膜有利于水分子以蒸汽状态传输（即扩散）。溶解扩散模型的传输机制6如图1所示：化学亲和力将水分子吸附（absorption）到PV膜的选择性层中；在蒸气压差推动下，水分子以蒸汽形式进行气相传输或扩散（diffusion）；水蒸气分子在渗透物侧的解吸附（desorption）。但是，对于纳米复合膜及混合基质膜，其界面结构的改变使水分子的扩散过程和相变位置出现差异，因此其传质过程和分离机制尚未明确。2 二维纳米材料在渗透汽化中的应用为了提高渗透汽化脱盐膜的通量，大量研究采用不同纳米材料如二氧化钛、氧化石墨烯、纳米黏