摘要

  纳米材料和纳米技术已成为开发高性能分离膜的最佳方法，有助于解决全球水危机。这些基于纳米材料的膜，包括纳米颗粒，纳米纤维，二维层材料和其他纳米结构，具有非凡的渗透性能以及一些额外的性能（防污，抗菌，光降解等）。开辟了一条新的大道用于超快速和高选择性的水净化。本文简要总结了纳米材料膜结构设计的策略和最新的突破性研究，简单讨论了纳米材料的当前挑战和可能的面临的问题。

  引言

  由于全球人口迅速增长，上个世纪以来工业化爆发式增长和能源需求增加，缺水已成为今后严重的全球新出现的挑战，预计未来将会更加恶化。水运专家估计，十八亿人口将生活在绝对缺水的国家或地区。因此，迫切需要效率更高，可持续性更高的水处理技术。与蒸馏，光降解，电解或吸附方法相比，膜比其他水处理技术更受欢迎，因为在理论上它们降低了能量消耗，不需要再生消耗介质，实现了更高的分离选择性，并以连续模式操作。虽然这种理想的薄膜在过去150年来还没有实现，但由于麦威威理论上的“分类恶魔”，商业膜技术已经在高效、选择性和可靠的分离性能的水净化中发挥了重要作用。

  本综述旨在简要介绍纳米材料膜在水净化中的最新进展，特别是在纳滤和超滤中。 我们将着重于用于设计膜内纳米结构以分离性能增强的策略，以及纳米材料引起的膜的新功能。 此外，我们还将比较新兴纳米材料膜的优点和局限性纳米材料膜虽然现在常规膜主导着水净化膜市场，但是根据其应用，很难作为优选的膜。因为每种类型的膜被通量、选择性、稳定性或高制造工艺等约束成本。还有一重大问题是污染，虽然学者们一直在尝试通过化学修饰来改变膜表面，例如通过将亲水单体接枝在膜上，仍然需要改进以获得令人满意的膜污染减少的效果。在提出的众多概念中，纳米技术是最有希望的膜技术，如密集纳米颗粒和纳米纤维膜，排列纳米膜，自组装二维层材料及其复合材料等。普通的基于纳米材料的膜结构如图1所示。

  图1 纳米材料膜，如单组分纳米颗粒膜，纳米纤维膜，排列纳米管膜，二维层材料及其复合材料（以及典型的聚合物，无机材料或其他纳米材料等）。

  独立纳米颗粒膜

  图2  单组分纳米颗粒膜 （a）密封的金纳米颗粒单层（b）胶体金纳米粒子官能化膜 （c）聚苯乙烯纳米颗粒组成超薄独立纳米多孔膜（d）交联蛋白膜（e）具有粒子嵌套反蛋白石（PN-IO）结构的分层结构的大规模膜将纳米颗粒组装到独立的超薄膜中从未如此简单。 通常，可以通过在二维界面上分离纳米膜，通过干燥介导的自组装过程直接形成的纳米膜，通过过滤和吹塑膜挤出获得纳米颗粒膜。 目前，没有太多的单组分纳米材料膜，仅由纳米颗粒组成，如紧密堆积的纳米颗粒单层，胶体纳米粒子功能化膜，聚苯乙烯纳米颗粒组成超薄独立纳米多孔膜，交联蛋白质膜和新型多尺度多孔结构，其中单个颗粒嵌套在反蛋白石（IO）框架的中空室内。各种结构如图2所示。

  独立的纳米纤维膜

  纳米纤维被定义为直径小于100nm的纤维。 纳米纤维具有非常高的纵横比，这有利于彼此互锁并形成独立的多孔膜。作为最古老的膜材料之一，人类在分离膜中使用化学和机械改性的纤维素以及原始纤维素纤维具有悠久的历史。 纤维素的独特分层的结构，即线性葡聚糖链，纳米宽的结晶纤维素微原纤维，由纤维素链/微纤维束、细胞壁、纤维、植物组织、树木或其他植物组成，包括半纤维素和木质素加强植物活体。 目前，纳米技术通过纤维素的纳米纤维化使纤维素成为新的生命。 从上个世纪末开始，合成并发现了一种新型的纤维素，为新型空气和液体分离设计新膜提供了机会。 由于其独特的机械性能，成膜性能，表面改性和安全性，纳米纤维已被广泛应用于许多工业领域。纳米纤维结构如图3所示。

  图3 （a）纤维素纳米纤维的TEM图像（b）34nm厚膜的横截面SEM图像（c）使用注射器过滤器对5和15 nm纳米粒子混合物进行过滤（d）过滤后照相注射器过滤器（e）不同厚度的膜的分离性能（f，g）过滤前后的5nm和15nm金纳米颗粒混合物的TEM图像

  图4 超薄独立蚕蚕丝纳米纤维（SNF）膜  （a）通过真空过滤的丝绸纳米纤维膜组件的图示（b）具有结构颜色的视觉光下的厚度约为520nm的独立SNF膜的数字图像 （c）厚度为520nm的SNF膜的SEM图像（d）膜的横截面SEM图像比较（e）纯水（f）细胞色素c和（g）5nm纳米颗粒分散体的SNF膜与各种厚度的分离性能与其他纳米材料基膜的比较。

  与纳米纤维素膜相似，另一种基于生物聚合物的纳米纤维超薄膜通过从天然蚕丝纤维组装脱落的丝素纳米原纤维获得。这些膜可以制备成具有低至40nm的厚度，窄范围为8至12nm的孔径分布。由丝素纳米纤维膜（SNF）制备的这种新型膜显示出对于具有至少64％的罗丹明B排斥的纳米颗粒的染料，蛋白质和胶体的有效分离，以及13,000LHM?bar-1的纯水通量，超过1000倍高于几种商业超薄滤膜，与先前报道的最高水通量相当，如图4所示。

  二维层材料作为复合材料的填料膜

  由于其独特的机械和化学性质，二维材料也已经被引入到聚合物膜中以增强其对水处理的分离性能。 由于其在膜场中的广泛应用，聚砜是石墨烯复合膜制备中最初使用的几种聚合物之一。 合成了聚砜-TO型复合膜，适用于海水淡化领域。 然而，该领域很有趣，因为它还处于起步阶段，需要更多的发展。

  挑战和潜力重点关注纳入纳米材料的水处理膜的潜力，同时还需要更多的研究来提高其性能，如渗透性，选择性，坚固性，防污性，抗菌性等。另外，为了商业准备，还有一些问题，如削减预期的材料成本，提高制造业的可扩展性和在明显的时间商业化。此外，虽然报道了纳米材料膜的各种研究，但是需要将不同研究之间的分离性能与膜厚度，分离模式和分离仪器的分散性，加载压力，膜测试时间，渗透率计算方法和测试物质进行比较分析。因此，需要对术语进行标准化，绩效评估方法等。标准化将为研究人员提供必要的信息，更好地了解分离性能的现状，为未来的努力方向提升性能，从而促进这些有潜力的新型纳米材料在净化中的实际应用。更重要的是，在大多数情况下，纳米材料相关膜仍然组装在聚合物或陶瓷膜上，并且一起测试其性能，而不是独立的膜。它可能会产生一些问题，包括底物膜诱导的弱分离性能，灵活性，制造成本，极端环境中的耐受性等。最后，随着尺寸减小到纳米尺度，纳米材料的性质与相同成分的大块材料有很大差异，使得它们具有卓越的导电性，反应性和光学灵敏度。 而与生物系统和环境的一些不良的有害相互作用将会发生，有潜在的生成毒性。

  结论

  总之，由于严重的水危机，迫切需要探索新的先进水处理技术，可以以更节能，环保的方式提供安全的供水。纳米技术的快速发展呈现出这种可能性。根据纳米材料的分类，已经详细讨论了由纳米颗粒，纳米线，纳米片，其他纳米结构纳米材料及其复合材料组成的新膜设计策略，以及在水净化中的应用。具有各种结构和组合的纳米材料膜已经证明了水净化中的巨大潜力，此外，纳米材料与商业膜的组合也是一种有效的途径，不仅可以提高渗透性，选择性，结构牢固性和防污性的商业膜分离性能，而且还能使其具有新的性能，如抗菌和光降解。新型纳米材料的发现和新型膜结构的设计，理想的水净化分离膜的现实越来越明显，但从实验室到市场商业化仍然很漫长。 生产成本的平衡和制造业的简单性是关键的挑战。 总的来说，我们不得不承认，纳米材料是帮助解决预期的全球水危机的最有潜力的工具。