成果簡介
膜分離技術因其成本相對低廉、操作簡便、效率高等優點而被廣泛應用於水和廢水處理中。然而，目前的膜在選擇性和滲透性以及膜污染之間存在權衡。最近，許多研究都集中在開發用於水和廢水處理的高性能碳納米材料（通常是碳納米管和石墨烯）基膜。許多研究表明，受益於碳納米材料基膜的良好導電性，在電化學輔助下，它們的滲透選擇性和抗污染性可以進一步提高。
本文，大連理工大學全燮《Environ. Sci.: Nano》期刊發表名為「Carbon nanomaterial-based membranes for water and wastewater treatment under electrochemical assistance」的綜述，研究納米碳質膜和電化學輔助膜分離工藝的最新進展。首先，總結了近年來製備一些典型導電膜的方法，例如碳納米管膜和石墨烯膜。隨後，討論了潛在的機制（例如，電氧化、電吸附和靜電相互作用）用於電化學增強的滲透選擇性、防污和再生性能，最後強調了膜/電化學系統的實際局限性並概述了可能的解決方案。
圖文導讀
2.1 膜分離與電化學耦合的動機
圖1、 顯示將膜分離與電化學耦合的動機的方案
2.2. 電化學輔助膜工藝系統
圖2、 電化學輔助膜工藝的兩電極系統和三電極系統的示意圖。電化學輔助膜工藝
2.3 導電納米碳質膜的製備
為實現膜分離與電化學的結合，膜應具備優良的電化學性能，如良好的導電性和電化學穩定性，以允許電子轉移和在水中長時間運行。碳材料，尤其是碳納米材料，由於其離域的 π 電子體系和具有強面內 σ 鍵的sp 2雜化蜂窩網絡，通常具有優異的導電性和穩定性。此外，它們具有原子級光滑表面或內部通道，或原子級薄結構，因此可用於構建具有優異選擇性和滲透性的高性能膜。這些膜的優點促使人們引入電化學來進一步提高它們的性能並賦予它們新的功能。
圖3、 一些典型的納米碳質膜及其主要製備方法的示意圖
2.4. 膜/電化學集成系統的機理
圖4、 膜/電化學系統的一些機制：(a) 電吸附；(b) 電吸附；(c) 電氧化；(d) 電還原；(e) 電滲；(f) 電泳。
2.5 電化學輔助下提高碳質膜的選擇性滲透率
得益於上述的電化學功能，電化學輔助納米碳質膜已被研究用於去除水中的各種污染物，例如無機離子、有機物和水生病原體。
圖5. （ a ）電芬頓輔助膜分離（ b ）電過濾激活的過硫酸鹽系統（ c ）電過氧化物輔助膜分離
2.6 膜/電化學系統在生物電系統中的應用
圖6、一種具有增強處理性能的新型電芬頓膜生物反應器（EFMBR）（a），EFMBR 的 COD（b）和 NH4 + -N（c）的去除效率
小結
納米碳膜具有優異的滲透性和選擇性，可以提供一個集成膜分離和電化學的平台，從而實現水凈化和廢水處理的有前景的技術，這源於其優異的反應性、防污性和自清潔性能。電化學輔助分離過程將膜功能擴展到單孔排阻分離之外。污染物和鹽分去除的增強證明了它們在從廢水和鹽水中生產飲用水和清潔水方面的潛在應用。對流增強傳質通過電化學反應促進有機微污染物快速降解（電氧化、電還原和電芬頓過程）在流通膜過程中。此外，不可避免的膜污染可以通過靜電排斥和電動現象（電滲、電泳和電遷移）顯著減輕。然而，在納米碳膜和電化學輔助膜技術實際應用之前，還存在一些問題需要解決。
未來還應努力設計能夠實現高效膜過濾和電化學輔助的大型膜組件。作者相信，基於碳納米材料的膜的進步也可以極大地促進許多其他領域，例如能源生產、化學合成和純化。考慮到這些膜和電化學輔助膜技術相對於傳統膜工藝的許多優勢，在未來非常有希望。
文獻：
https://doi.org/10.1039/D2EN00545J
