中南大学化学化工学院3月8日讯：膜分离技术可以有效地解决传统分离工艺中存在的高能耗、低效率的问题。然而，油污染问题阻碍了膜技术在油水分离领域的广泛应用。因此，防止膜污染是克服这一瓶颈的关键。碳化钛(Ti3C2Tx, MXene)是二维材料家族的新成员，由于其表面基团可控、亲水性、抗菌性能和高导电性，在水处理领域引起了极大的兴趣。因此，我们提出了在羧化MXene表面构建水凝胶涂层的策略。此外，CaCO3纳米颗粒的引入进一步提高了水凝胶骨架的刚性。更强的水凝胶层保证了水合层不易被油污染和膜材料的牢度。自然，所制备的膜对各种乳剂表现出优异的分离性能，在连续5个200分钟的分离循环后保持较高的分离水平(3979.5 L m-2 h-1 bar-1和99.96%)。此外，膜在40分钟后分离含酸、盐或碱的乳剂的渗透率为2982.8 L m-2 h-1 bar-1;它还处理实际含油废水，渗透率达到238.9 L m-2 h-1 bar-1，对几种重金属(Cu、Li、Pb、Se和V)表现出高去除效率(> 99.9%)，以及抗菌性能(92.5%)，增强了其工业应用潜力。本研究为抗油垢MXene油水分离膜的设计提供了新的思路。

背景介绍

工业生产和人类活动迅速产生含油废水，浪费资源，危害环境，加剧淡水危机。有效处理和回收含油废水是缓解此类危机的有效策略之一。浮油(>100 μm)、分散油(10 ~ 100 μm)、乳化油(<10 μm)和溶解油是含油废水的主要组成部分，处理难度随着液滴尺寸的减小而增大。根据油滴大小选择合适的处理方法是实现含油废水高效分离的关键。此外，根据分离目的，还包括除油类型或除水类型。与其他传统处理技术相比，膜分离具有能耗低、效率高的优点，在水处理领域具有很大的应用潜力。然而，传统膜材料缺乏足够的耐油性，容易导致油粘附在膜表面，油滴堵塞膜孔，导致分离通量降低。因此，开发高效、长时间运行的油水分离膜是促进低能耗水处理技术在碳中和环境下发展的关键。

膜表面水合层的构建是疏油性的基础。由于油相的表面能通常低于水相的表面能，因此即使亲水改性膜表面被润湿，一旦油相突破水化层，与膜直接接触也会迅速润湿其表面。重要的是，水合层的强度决定了膜表面的耐油性，其基本原理是通过氢键将水分子紧密结合形成耐油屏障。这是超润湿性油水分离膜背后的指导理论，它具有长期处理含油废水的潜力。

但在长期使用过程中，膜表面的亲水基团被液体冲刷或高粘度油相破坏或覆盖，导致水化层受损，影响膜的润湿性，最终影响其分离性能。因此，膜表面接枝基团的稳定性以及与水分子形成水化层对长时间分离性能尤为重要。Jin等构建了一系列亲水性聚合物改性或水凝胶复合膜，具有极好的抗油垢性能，这些膜由于其表面有多种抗污策略，能够保持稳定的分离通量。值得注意的是，在保持极稳定的分离通量水平的同时，分离通量不会保持很高;换句话说，高分离通量的膜也下降得更快。显然，分离通量及其维持也存在类似的“权衡”效应。因此，突破“权衡”效应的限制，开发出能够长时间、复杂环境下运行的高分离通量膜材料，仍然是一个巨大的挑战。

原始MXene膜也能表现出一定程度的乳液分离性能。几项研究也表明，用亲水性基团修饰MXene表面基团或混合亲水性物质可显著提高分离性能或复合处理能力。然而，随着乳剂的继续分离，分离通量的减小是不可避免的。一些基于MXene固有光催化活性设计的自清洁MXene膜已被证明是可持续分离的可行选择。然而，自清洁过程的能耗在一定程度上与膜分离技术的低能耗特性相悖。此外，所涉及的繁琐步骤也增加了工业应用的难度。因此，仅通过构建强大的水化层，在膜表面实现稳定、可持续的乳剂分离是非常具有挑战性的。

因此，我们报道了一种水凝胶涂层策略，在羧化MXene片表面构建水凝胶涂层，并在其中引入CaCO3纳米颗粒，以进一步提高水凝胶的硬度。在该策略制备的强水化层的支持下，MCOOH-CaTS/CO3膜表现出优异的润湿性能。重要的是，它对各种表面活性剂稳定的水包油乳液表现出非凡的分离性能，即使在长时间分离后也保持高渗透率。此外，该膜对复杂含油废水也表现出良好的分离性能和重金属离子处理潜力。该策略为MXene膜的工业化发展提供了可行的思路。

图文解析

图一为MCOOH-CaTS/CO3膜的制备过程示意图。

总结与展望

综上所述，我们在羧基化的mxene基膜上构建了一个水凝胶涂层。并在MXene片材表面引入CaCO3纳米颗粒，进一步促进水凝胶网络结构的稳定。坚固的水凝胶涂层确保了强大的水化层，从而使MCOOH-CaTS/CO3膜具有优异的润湿性和抗油粘附性能。结果表明，该膜能够长时间分离表面活性剂稳定的乳剂，并在分离过程的后期表现出较高的渗透率和效率(3979.5 L m-2 h-1 bar-1和99.96%)。此外，面对酸性、盐水、碱性环境和苛刻的分离对象，仍能保持显著的稳定性和分离性能。同时，某些抗菌性能和重金属去除能力为该膜的实际应用开辟了可能性。该策略为实现MXene膜对含油废水的可持续处理提供了新的思路。（本刊有删节）详情见中南大学化学化工学院官网

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148971