成果简介

膜分离技术因其成本相对低廉、操作简便、效率高等优点而被广泛应用于水和废水处理中。然而，目前的膜在选择性和渗透性以及膜污染之间存在权衡。最近，许多研究都集中在开发用于水和废水处理的高性能碳纳米材料（通常是碳纳米管和石墨烯）基膜。许多研究表明，受益于碳纳米材料基膜的良好导电性，在电化学辅助下，它们的渗透选择性和抗污染性可以进一步提高。

本文，大连理工大学全燮《Environ. Sci.: Nano》期刊发表名为“Carbon nanomaterial-based membranes for water and wastewater treatment under electrochemical assistance”的综述，研究纳米碳质膜和电化学辅助膜分离工艺的最新进展。首先，总结了近年来制备一些典型导电膜的方法，例如碳纳米管膜和石墨烯膜。随后，讨论了潜在的机制（例如，电氧化、电吸附和静电相互作用）用于电化学增强的渗透选择性、防污和再生性能，最后强调了膜/电化学系统的实际局限性并概述了可能的解决方案。

图文导读

2.1 膜分离与电化学耦合的动机

图1、 显示将膜分离与电化学耦合的动机的方案

2.2. 电化学辅助膜工艺系统

图2、 电化学辅助膜工艺的两电极系统和三电极系统的示意图。电化学辅助膜工艺

2.3 导电纳米碳质膜的制备

为实现膜分离与电化学的结合，膜应具备优良的电化学性能，如良好的导电性和电化学稳定性，以允许电子转移和在水中长时间运行。碳材料，尤其是碳纳米材料，由于其离域的 π 电子体系和具有强面内 σ 键的sp 2杂化蜂窝网络，通常具有优异的导电性和稳定性。此外，它们具有原子级光滑表面或内部通道，或原子级薄结构，因此可用于构建具有优异选择性和渗透性的高性能膜。这些膜的优点促使人们引入电化学来进一步提高它们的性能并赋予它们新的功能。

图3、 一些典型的纳米碳质膜及其主要制备方法的示意图

2.4. 膜/电化学集成系统的机理

图4、 膜/电化学系统的一些机制：(a) 电吸附；(b) 电吸附；(c) 电氧化；(d) 电还原；(e) 电渗；(f) 电泳。

2.5 电化学辅助下提高碳质膜的选择性渗透率

得益于上述的电化学功能，电化学辅助纳米碳质膜已被研究用于去除水中的各种污染物，例如无机离子、有机物和水生病原体。

图5. （ a ）电芬顿辅助膜分离（ b ）电过滤激活的过硫酸盐系统（ c ）电过氧化物辅助膜分离

2.6 膜/电化学系统在生物电系统中的应用

图6、一种具有增强处理性能的新型电芬顿膜生物反应器（EFMBR）（a），EFMBR 的 COD（b）和 NH4 + -N（c）的去除效率

小结

纳米碳膜具有优异的渗透性和选择性，可以提供一个集成膜分离和电化学的平台，从而实现水净化和废水处理的有前景的技术，这源于其优异的反应性、防污性和自清洁性能。电化学辅助分离过程将膜功能扩展到单孔排阻分离之外。污染物和盐分去除的增强证明了它们在从废水和盐水中生产饮用水和清洁水方面的潜在应用。对流增强传质通过电化学反应促进有机微污染物快速降解（电氧化、电还原和电芬顿过程）在流通膜过程中。此外，不可避免的膜污染可以通过静电排斥和电动现象（电渗、电泳和电迁移）显著减轻。然而，在纳米碳膜和电化学辅助膜技术实际应用之前，还存在一些问题需要解决。

未来还应努力设计能够实现高效膜过滤和电化学辅助的大型膜组件。作者相信，基于碳纳米材料的膜的进步也可以极大地促进许多其他领域，例如能源生产、化学合成和纯化。考虑到这些膜和电化学辅助膜技术相对于传统膜工艺的许多优势，在未来非常有希望。

文献：

https://doi.org/10.1039/D2EN00545J