摘要

    納米材料和納米技術已成為開發高性能分離膜的最佳方法，有助于解決全球水危機。這些基于納米材料的膜，包括納米顆粒，納米纖維，二維層材料和其他納米結構，具有非凡的滲透性能以及一些額外的性能（防污，抗菌，光降解等）。開辟了一條新的大道用于超快速和高選擇性的水凈化。本文簡要總結了納米材料膜結構設計的策略和最新的突破性研究，簡單討論了納米材料的當前挑戰和可能的面臨的問題。

    引言

    由于全球人口迅速增長，上個世紀以來工業化爆發式增長和能源需求增加，缺水已成為今后嚴重的全球新出現的挑戰，預計未來將會更加惡化。水運專家估計，十八億人口將生活在絕對缺水的國家或地區。因此，迫切需要效率更高，可持續性更高的水處理技術。與蒸餾，光降解，電解或吸附方法相比，膜比其他水處理技術更受歡迎，因為在理論上它們降低了能量消耗，不需要再生消耗介質，實現了更高的分離選擇性，并以連續模式操作。雖然這種理想的薄膜在過去150年來還沒有實現，但由于麥威威理論上的“分類惡魔”，商業膜技術已經在高效、選擇性和可靠的分離性能的水凈化中發揮了重要作用。

    本綜述旨在簡要介紹納米材料膜在水凈化中的最新進展，特別是在納濾和超濾中。 我們將著重于用于設計膜內納米結構以分離性能增強的策略，以及納米材料引起的膜的新功能。 此外，我們還將比較新興納米材料膜的優點和局限性納米材料膜雖然現在常規膜主導著水凈化膜市場，但是根據其應用，很難作為優選的膜。因為每種類型的膜被通量、選擇性、穩定性或高制造工藝等約束成本。還有一重大問題是污染，雖然學者們一直在嘗試通過化學修飾來改變膜表面，例如通過將親水單體接枝在膜上，仍然需要改進以獲得令人滿意的膜污染減少的效果。在提出的眾多概念中，納米技術是最有希望的膜技術，如密集納米顆粒和納米纖維膜，排列納米膜，自組裝二維層材料及其復合材料等。普通的基于納米材料的膜結構如圖1所示。

    圖1 納米材料膜，如單組分納米顆粒膜，納米纖維膜，排列納米管膜，二維層材料及其復合材料（以及典型的聚合物，無機材料或其他納米材料等）。

    獨立納米顆粒膜

    圖2  單組分納米顆粒膜 （a）密封的金納米顆粒單層（b）膠體金納米粒子官能化膜 （c）聚苯乙烯納米顆粒組成超薄獨立納米多孔膜（d）交聯蛋白膜（e）具有粒子嵌套反蛋白石（PN-IO）結構的分層結構的大規模膜將納米顆粒組裝到獨立的超薄膜中從未如此簡單。 通常，可以通過在二維界面上分離納米膜，通過干燥介導的自組裝過程直接形成的納米膜，通過過濾和吹塑膜擠出獲得納米顆粒膜。 目前，沒有太多的單組分納米材料膜，僅由納米顆粒組成，如緊密堆積的納米顆粒單層，膠體納米粒子功能化膜，聚苯乙烯納米顆粒組成超薄獨立納米多孔膜，交聯蛋白質膜和新型多尺度多孔結構，其中單個顆粒嵌套在反蛋白石（IO）框架的中空室內。各種結構如圖2所示。

    獨立的納米纖維膜

    納米纖維被定義為直徑小于100nm的纖維。 納米纖維具有非常高的縱橫比，這有利于彼此互鎖并形成獨立的多孔膜。作為最古老的膜材料之一，人類在分離膜中使用化學和機械改性的纖維素以及原始纖維素纖維具有悠久的歷史。 纖維素的獨特分層的結構，即線性葡聚糖鏈，納米寬的結晶纖維素微原纖維，由纖維素鏈/微纖維束、細胞壁、纖維、植物組織、樹木或其他植物組成，包括半纖維素和木質素加強植物活體。 目前，納米技術通過纖維素的納米纖維化使纖維素成為新的生命。 從上個世紀末開始，合成并發現了一種新型的纖維素，為新型空氣和液體分離設計新膜提供了機會。 由于其獨特的機械性能，成膜性能，表面改性和安全性，納米纖維已被廣泛應用于許多工業領域。納米纖維結構如圖3所示。

    圖3 （a）纖維素納米纖維的TEM圖像（b）34nm厚膜的橫截面SEM圖像（c）使用注射器過濾器對5和15 nm納米粒子混合物進行過濾（d）過濾后照相注射器過濾器（e）不同厚度的膜的分離性能（f，g）過濾前后的5nm和15nm金納米顆粒混合物的TEM圖像

    圖4 超薄獨立蠶蠶絲納米纖維（SNF）膜  （a）通過真空過濾的絲綢納米纖維膜組件的圖示（b）具有結構顏色的視覺光下的厚度約為520nm的獨立SNF膜的數字圖像 （c）厚度為520nm的SNF膜的SEM圖像（d）膜的橫截面SEM圖像比較（e）純水（f）細胞色素c和（g）5nm納米顆粒分散體的SNF膜與各種厚度的分離性能與其他納米材料基膜的比較。

    與納米纖維素膜相似，另一種基于生物聚合物的納米纖維超薄膜通過從天然蠶絲纖維組裝脫落的絲素納米原纖維獲得。這些膜可以制備成具有低至40nm的厚度，窄范圍為8至12nm的孔徑分布。由絲素納米纖維膜（SNF）制備的這種新型膜顯示出對于具有至少64％的羅丹明B排斥的納米顆粒的染料，蛋白質和膠體的有效分離，以及13,000LHM?bar-1的純水通量，超過1000倍高于幾種商業超薄濾膜，與先前報道的最高水通量相當，如圖4所示。

    二維層材料作為復合材料的填料膜

    由于其獨特的機械和化學性質，二維材料也已經被引入到聚合物膜中以增強其對水處理的分離性能。 由于其在膜場中的廣泛應用，聚砜是石墨烯復合膜制備中最初使用的幾種聚合物之一。 合成了聚砜-TO型復合膜，適用于海水淡化領域。 然而，該領域很有趣，因為它還處于起步階段，需要更多的發展。

    挑戰和潛力重點關注納入納米材料的水處理膜的潛力，同時還需要更多的研究來提高其性能，如滲透性，選擇性，堅固性，防污性，抗菌性等。另外，為了商業準備，還有一些問題，如削減預期的材料成本，提高制造業的可擴展性和在明顯的時間商業化。此外，雖然報道了納米材料膜的各種研究，但是需要將不同研究之間的分離性能與膜厚度，分離模式和分離儀器的分散性，加載壓力，膜測試時間，滲透率計算方法和測試物質進行比較分析。因此，需要對術語進行標準化，績效評估方法等。標準化將為研究人員提供必要的信息，更好地了解分離性能的現狀，為未來的努力方向提升性能，從而促進這些有潛力的新型納米材料在凈化中的實際應用。更重要的是，在大多數情況下，納米材料相關膜仍然組裝在聚合物或陶瓷膜上，并且一起測試其性能，而不是獨立的膜。它可能會產生一些問題，包括底物膜誘導的弱分離性能，靈活性，制造成本，極端環境中的耐受性等。最后，隨著尺寸減小到納米尺度，納米材料的性質與相同成分的大塊材料有很大差異，使得它們具有卓越的導電性，反應性和光學靈敏度。 而與生物系統和環境的一些不良的有害相互作用將會發生，有潛在的生成毒性。

    結論

    總之，由于嚴重的水危機，迫切需要探索新的先進水處理技術，可以以更節能，環保的方式提供安全的供水。納米技術的快速發展呈現出這種可能性。根據納米材料的分類，已經詳細討論了由納米顆粒，納米線，納米片，其他納米結構納米材料及其復合材料組成的新膜設計策略，以及在水凈化中的應用。具有各種結構和組合的納米材料膜已經證明了水凈化中的巨大潛力，此外，納米材料與商業膜的組合也是一種有效的途徑，不僅可以提高滲透性，選擇性，結構牢固性和防污性的商業膜分離性能，而且還能使其具有新的性能，如抗菌和光降解。新型納米材料的發現和新型膜結構的設計，理想的水凈化分離膜的現實越來越明顯，但從實驗室到市場商業化仍然很漫長。 生產成本的平衡和制造業的簡單性是關鍵的挑戰。 總的來說，我們不得不承認，納米材料是幫助解決預期的全球水危機的最有潛力的工具。