背景介绍
洁净水资源短缺是危及人类社会安全，制约可持续发展的世界性难题。当前，含油废水的深度处理及资源化利用已成为国家乃至世界的重大需求，对解决资源短缺、环境污染、生态损害等问题，推动可持续高质量发展，实现“双碳”目标具有重要意义。膜技术作为分离和纯化含油废水的先进策略，其高效低能耗的显著优势已成为现代化工学科前沿之一。然而，油污染仍然是油水分离膜面临的重大挑战，表面活性剂吸附或油滴堵塞孔道，造成分离性能降低和运行能耗升高。亲水化是防止膜表面被污染的有效措施，通过构建亲水性表面，使水能够通过膜的孔隙结构并在表面形成水合层，从而阻止油滴接触分离膜。新兴的二维层状结构亲水性薄膜以其可调控的层间距和良好的防污性能成为开发分离效率高、运行稳定性强的高性能油水分离膜的研究热点之一。
关键问题
如图1（左）所示，随着渗透通量的提升，膜表面的高法向流速导致二维层状结构薄膜的层间距缩小，渗透通量降低。同时，二维薄膜层间距的缩小使得层间的水合层被压缩，防污性能降低。因此如何平衡渗透通量和防污能力是高性能油水分离膜研究的难点。
图1无稳定层间距的PEG/MXene膜（左）和具有稳定层间距的PEG/MXene@MOF膜（右）。
研究成果
针对上述挑战，西北师范大学李健教授团队以金属有机框架（MOF, UiO-66-NH2）纳米颗粒和二维MXene纳米片通过界面自组装策略构建出一种具有稳定层间距和优异防污性能的高渗透性功能膜。如图2所示，首先MOF颗粒的插层扩大了二维MXene纳米片之间的层间距，提升了渗透通量。同时，插层的MOF颗粒能够对MXene纳米片起到支撑作用，避免了膜表面的高法向流速对膜层间距的挤压。其次，由于MOF颗粒优异的吸水和保水性能使分离膜表面和插层的水合层更加稳定，从而赋予膜优异的水下超疏油性和防污性能。最后，PEG与MXene、MOF之间形成的氢键有助于进一步增强插层结构的稳定性和提升膜的亲水性。
图2PEG/MXene@MOF膜的制备及形貌结构。
受益于二维MXene膜材料独特的插层结构及MOF颗粒优异的亲水和保水性能，PEG/MXene@MOF膜展现出以下优势。（1）表面及插层稳定的水合层赋予PEG/MXene@MOF膜优异的防污能力。如图3所示，PEG/MXene@MOF膜具有优异的水下超疏油性和超低的油黏附性，在水下对煤油，己烷，原油和石油醚的接触角均大于157°，滚动角小于5°。通过动态的黏附性测试以及高粘性原油的去除，表明PEG/MXene@MOF膜具有优异的防油污能力。
图3 PEG/MXene@MOF膜的浸润性和防污能力。
（2）稳定的层间距赋予PEG/MXene@MOF膜持续稳定的高通量分离能力。如图4所示，PEG/MXene@MOF膜在错流分离实验中，即使经过60 min的持续分离，分离通量保持稳定，未出现明显下降的情况。更重要的是，对于表面活性剂稳定的高粘性水包原油乳液的分离（图4 c），PEG/MXene@MOF膜仍然展现出稳定的高渗透性（1246 ± 12 L m-2 h-1 bar-1）和优异的分离效率（> 99.7 %）。通过对比PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的循环分离稳定性发现（图 5），不具有稳定层间距的PEG/MXene膜，仅1次循环后分离通量便出现显著下降。相反，具有稳定层间距的PEG/MXene@MOF膜始终保持着稳定的高通量分离能力。
图4 PEG/MXene@MOF膜对于表面活性剂稳定的（a）水包煤油乳液，（b）水包己烷乳液，（c）水包原油乳液和（d）水包石油醚乳液的持续分离能力。
图5 PEG/MXene（左）和PEG/MXene@MOF（右）膜的水包己烷乳液分离循环稳定性。
（3）PEG/MXene@MOF膜具有优异的层间距稳定性和化学耐久性。如图6所示，PEG/MXene@MOF膜在水中浸泡8天后，膜表面功能层未发生溶胀脱落并仍然保持优异的水下超疏油性。通过测试浸泡前后复合膜的XRD发现，浸泡8天后膜的层间距仅仅扩大了0.05 nm，表明PEG/MXene@MOF膜具有优异的层间距稳定性。此外，PEG/MXene@MOF膜表现出良好的化学耐久性，经过强腐蚀性溶液和高浓度盐浸泡后仍然表现出水下超疏油性。
图6 PEG/MXene@MOF膜的层间距稳定性和化学耐久性。
总结
通过简易的界面自组装策略构建了具有稳定层间距和优异防污性能的高渗透性PEG/MXene@MOF膜，解决了二维层状结构薄膜在渗透通量和防污能力之间相互制约的难题。该研究为设计开发分离性能优异和运行稳定性强的高性能油水分离膜材料的研制提供了新思路，具有广阔的应用前景。
相应成果以“High permeability PEG/MXene@MOF membrane with stable interlayer spacing and efficient fouling resistance for continuous oily wastewater purification”为题发表在膜领域权威期刊《Journal of Membrane Science》上。西北师范大学化学化工学院硕士研究生项斌为论文第一作者，西北师范大学化学化工学院李健教授为通讯作者。
论文信息：
Bin Xiang, Jingling Gong, Yuqing Sun, Wenhao Yan, Jian Li*. High permeability PEG/MXene@MOF membrane with stable interlayer spacing and efficient fouling resistance for continuous oily wastewater purification. Journal of Membrane Science, 2024, 691, 122247.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122247
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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