高通量抗污染氧化石墨烯膜研究進(jìn)展

李智超，鄭瑜，張潤楠，姜忠義，4

（1 天津大學(xué)化工學(xué)院綠色化學(xué)化工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2 天津大學(xué)浙江研究院，浙江 寧波 315201；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072； 4 天津大學(xué)-新加坡國立大學(xué)福州聯(lián)合學(xué)院，天津大學(xué)福州國際校區(qū)，福建 福州 350207）

引 言

水資源短缺與水污染是21 世紀(jì)人類面臨的共同挑戰(zhàn)之一。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，世界上有32億人生活在水資源短缺地區(qū)，12 億人生活在極度缺水地區(qū)。我國擁有世界約20%的人口，但水資源僅占全球的5%～7%，是人均水資源最貧乏的國家之一，隨著人口的增長和工業(yè)的發(fā)展，我國對水資源的需求也越來越大[1]。2019 年我國工業(yè)用水量為1271.6億立方米，城市生活的用水量為871.7億立方米，其中工業(yè)用水絕大部分需要回收再用，生活污水的再生利用率僅有10%左右，但按《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》要將生活污水的回收利用率提高到30%以上[2]。全國9.5 萬公里河川，1.9 萬公里受到污染，0.5 萬公里受到嚴(yán)重污染，86%的城市河流受到了不同程度的污染[3]，而水污染加劇了水資源的短缺。

膜技術(shù)具有操作簡單、能耗低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色高效的水處理技術(shù)[4]。目前水處理膜領(lǐng)域面臨兩個(gè)共性關(guān)鍵問題：(1)膜滲透通量低。傳統(tǒng)非溶劑誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化膜的膜厚度較大(通常>200 μm)，孔隙率較低(通常<80%)，膜孔徑分布不均，導(dǎo)致現(xiàn)有水處理膜的滲透通量較低(通常<1000 L·m-2·h-1·bar-1，1 bar=0.1 MPa)，難以滿足廢水大規(guī)模處理需求。污水排放量的不斷增加和污水回用要求的不斷提高對膜通量提出了更高的要求[5]。(2)膜污染嚴(yán)重。廢水中不同類型污染物與膜表面存在多重相互作用，易在膜表面沉積，產(chǎn)生的膜污染將導(dǎo)致膜通量銳減、能耗增加、清洗頻繁和使用壽命縮短[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，清洗和更換膜組件的費(fèi)用約占膜分離過程總費(fèi)用的40%；膜污染嚴(yán)重時(shí)，膜壽命一般只有1～3年[7]。因此，開發(fā)高通量抗污染膜材料成為水處理膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

氧化石墨烯(GO)[8-9]、共價(jià)有機(jī)框架(COF)[10-11]等二維材料由于具有精密可控的通道，可實(shí)現(xiàn)精確快速分離，是當(dāng)前膜材料的研究熱點(diǎn)。共價(jià)有機(jī)框架材料具有孔密度高、孔徑均勻、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的膜材料之一，但共價(jià)有機(jī)框架材料在合成和成膜性等方面還有許多問題需要解決[10,12]。氧化石墨烯具有良好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性、原子級的厚度及與水分子間超低的摩擦力，并且還有良好的成膜能力[13]，是一種備受關(guān)注的膜材料。氧化石墨烯膜的通道能從埃級(1 ?=0.1 nm)到納米級進(jìn)行調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對埃級尺度的鹽離子、納米尺度的有機(jī)分子，再到亞微米尺度的油水乳液的精確分離，具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，本綜述從介科學(xué)角度出發(fā)，對高通量抗污染氧化石墨烯膜的精密構(gòu)筑及水處理過程強(qiáng)化進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 氧化石墨烯膜中的介尺度問題

目前高通量、抗污染氧化石墨烯膜的研究多集中于層間通道及膜表面物理化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的精密構(gòu)筑，實(shí)現(xiàn)對不同物系的高效分離[8,14-15]。而氧化石墨烯膜的精密構(gòu)筑及高效分離過程中均涉及宏觀與微觀的介尺度問題。對于氧化石墨烯膜制備過程，氧化石墨烯納米片與離子、分子或不同維度的納米材料在外場以及分子間相互作用的驅(qū)動下進(jìn)行組裝，進(jìn)而由微觀尺度的聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^尺度的薄膜，其中成膜基元隨時(shí)間和空間動態(tài)演變的介尺度機(jī)制，是影響氧化石墨烯膜表面、主體及通道多級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。對于氧化石墨烯膜的應(yīng)用過程，組成復(fù)雜的混合物以宏觀尺度流體的形式進(jìn)行跨膜傳質(zhì)與分離，而其在膜表面的流動行為受分離物系中的分子與膜表面基團(tuán)相互作用以及膜表面微觀尺度結(jié)構(gòu)影響；水進(jìn)入膜內(nèi)后則以納米流體形式進(jìn)行傳質(zhì)，其傳質(zhì)行為受通道尺寸及壁面化學(xué)基團(tuán)等微觀尺度結(jié)構(gòu)的影響。因此，需研究分離物系中組成單元(溶質(zhì)、水)在膜表面與膜通道內(nèi)隨時(shí)間和空間演變的介尺度機(jī)制，實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯膜的高通量、抗污染性能。通過從膜制備和應(yīng)用兩個(gè)方面的介尺度機(jī)制研究，才能深入探究氧化石墨烯膜的構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分離和抗污染性能的協(xié)同強(qiáng)化。

2 高通量氧化石墨烯膜及其通道構(gòu)筑

通道尺寸的可控構(gòu)筑是提高氧化石墨烯膜分離性能的關(guān)鍵，但由于純氧化石墨烯膜納米片間的π-π 相互作用較弱，使純氧化石墨烯膜在水中容易膨脹，層間距增大、穩(wěn)定性降低[14,16-18]，且會影響膜的分離過程和膜通道內(nèi)的傳質(zhì)過程，難以實(shí)現(xiàn)高效分離。在膜組裝過程中，成膜基元隨時(shí)間和空間動態(tài)演變的介尺度機(jī)制是影響膜通道構(gòu)筑的關(guān)鍵。因此，可在組裝成膜的過程中引入離子、分子或不同維度的納米材料，通過調(diào)控外場和分子間的相互作用，精準(zhǔn)操縱成膜基元的組裝過程，利用插層作用調(diào)控膜的通道尺寸和膜通道內(nèi)納米流體的傳質(zhì)過程。而在不同的分離過程中氧化石墨烯膜所面臨的調(diào)控問題并不完全相同。針對納濾過程，可實(shí)現(xiàn)對納米尺度的有機(jī)小分子的高效分離；而對于亞納米尺度的鹽離子需利用分子/離子插層實(shí)現(xiàn)層間通道亞納米尺度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)離子的精密篩分[8,19]。針對超濾尤其是油水分離過程，乳化油滴的大小多在微米/亞微米級別，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)氧化石墨烯膜層間通道尺度，因此需通過納米尺度的材料插層，構(gòu)建大尺度的層間傳遞通道，在保證高截留的前提下，最大程度地提升膜通量[16]，從而提高膜的分離性能。根據(jù)氧化石墨烯插層材料的尺度，可將插層材料分為離子及分子插層材料和納米插層材料。離子及分子插層材料包括金屬離子、硫脲小分子[20]和聚乙酰亞胺高分子[21]等。納米插層材料包括納米粒子[22]、一維納米插層材料[23]和二維插層材料[24]。盡管通過插層可以實(shí)現(xiàn)膜性能的提高，但氧化石墨烯曲折的傳質(zhì)通道限制了通量的進(jìn)一步提升，因此可通過構(gòu)建垂直通道的氧化石墨烯膜和三維通道的氧化石墨烯膜，縮短膜的傳質(zhì)路徑，提高傳質(zhì)效率，實(shí)現(xiàn)膜通量的進(jìn)一步提升。

2.1 離子及分子插層

純石墨烯膜的層間距約為0.3 nm，而純氧化石墨烯膜的層間距約為0.8 nm，這是由于氧化石墨烯表面含有羧基等含氧官能團(tuán)，使得氧化石墨烯納米片帶負(fù)電，通過靜電排斥作用增大了層間距，所以通過調(diào)節(jié)氧化石墨烯的氧化程度可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯通道的調(diào)控，Wu 等[25]制備了不同氧化程度的GO 納米片組裝成膜，可在1.14～1.55 nm 的范圍內(nèi)控制膜通道的尺寸，且利用GO 在酸性溶液中的質(zhì)子化效應(yīng)抑制膜的膨脹，提高GO 膜在水溶液中的通道穩(wěn)定性。水合陽離子可與氧化石墨烯上的芳環(huán)以及氧化石墨烯上的含氧官能團(tuán)相互作用穩(wěn)定GO的納米通道，提高膜的通道穩(wěn)定性；Chen 等[17]將制備好的氧化石墨烯膜分別浸入純水和各種鹽溶液中1 h，得到了不同層間距的氧化石墨烯膜。金屬離子與氧化石墨烯之間的相互作用使得膜層間距保持穩(wěn)定，小層間距的離子插層膜會排斥層間距更大的陽離子，在各種鹽離子插層的GO 膜中層間距最小的是KCl插層的GO 膜，在KCl溶液中浸泡的氧化石墨烯膜，再浸入NaCl、CaCl2、LiCl、MgCl2溶液后，層間距與只在KCl 溶液中浸泡時(shí)保持一致，說明K+有效穩(wěn)定了層間距從而排除了溶液中的其他陽離子。

分子插層材料可與GO 通過共價(jià)鍵等較強(qiáng)的相互作用增大氧化石墨烯納米片間的連接強(qiáng)度[21]，提高膜的穩(wěn)定性。并且有些小分子插層氧化石墨烯膜可以減小GO 膜的通道尺寸，提高鹽截留率。Yang 等[20]以多孔陶瓷膜為基底，通過GO 片與硫脲(TU)的共價(jià)連接將TU-GO 溶液中的GO 納米片不斷自組裝形成連續(xù)無缺陷的TU-GO 膜，最后在80℃下保持3 h 使GO 與硫脲分子之間發(fā)生脫氧反應(yīng)將層間距縮小為0.34 nm，所得膜對MgSO4、MgCl2等多種鹽離子的截留率均高于99.8%。高分子插層的GO膜多用于染料分離[26-31]，并且聚乙烯亞胺(PEI)、聚丙烯酸(PAA)等帶電高分子的構(gòu)象能夠隨pH 發(fā)生變化，因此這些帶電高分子插層的GO 膜可以通過pH在一定范圍內(nèi)調(diào)控層間距。Zhang 等[21]將氧化石墨烯和接枝PEI 的氧化石墨烯(GO-PEI)納米片真空抽濾自組裝成膜(5p-nGOM)，在pH 為2 時(shí)GO-PEI 中的PEI 會由于氨基質(zhì)子化在靜電排斥作用下而延伸，層間距會增大為1.26 nm，此時(shí)膜通量為70.32 L·m-2·h-1·bar-1，對亞甲基藍(lán)的截留率為57.4%；在pH 為12 時(shí)PEI 會去質(zhì)子化而收縮，層間距減小為1.14 nm，此時(shí)膜通量為63.15 L·m-2·h-1·bar-1，對亞甲藍(lán)的截留率為96.3%。聚丙烯酸(PAA)和聚4-乙烯基吡啶(P4VP)接枝的GO 膜也具有pH 響應(yīng)功能，隨著pH 從3 變化到11，PAA 接枝的GO 膜層間距從1.38 nm 增加到1.44 nm，P4VP 接枝的GO 膜層間距從1.01 nm 增加到1.17 nm。對于較大的鈣黃綠素染料分子分離，PAA 接枝的GO 膜在pH 為3 和11 時(shí)均可實(shí)現(xiàn)完全截留，對于中小型染料中性紅(NR)和對硝基苯胺(NA)分離，在pH 為3時(shí)NR 和NA 的截留率為81.6%和14.1%，在pH 為11時(shí)截留率分別提高到95.1%和60.2%[32]。

2.2 納米材料插層

2.2.1 零維納米粒子插層 納米粒子包括Fe3O4金屬納米顆粒[22]和金屬有機(jī)骨架顆粒[33-34]等，而且由于納米顆粒多具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，因此納米粒子插層的膜也具有良好的耐壓性能。通過改變插層納米粒子的尺寸可改變膜的滲透通量和選擇性[35-37]。Dong 等[36]將氨基化的Fe3O4納米顆粒作為插層材料引入GO 層間，使得膜在0.2～0.8 MPa 范圍內(nèi)水通量幾乎隨操作壓力的增加呈線性增加，具有良好的耐壓性能且對剛果紅染料有94%以上的截留率。與金屬納米顆粒插層的GO 膜相比，金屬有機(jī)骨架顆粒的多孔結(jié)構(gòu)引入了額外的傳質(zhì)通道，其插層的GO 膜往往有更高的膜通量。Zhang 等[22]通過簡單的溶劑熱法在GO 納米片上原位合成納米顆粒，可通過改變?nèi)軇徇^程中反應(yīng)物的添加量來控制納米顆粒粒徑大小，隨著納米顆粒粒徑從100 nm增大到200 nm，F(xiàn)e3O4納米顆粒插層的膜通量從約100 增大到300 L·m-2·h-1·bar-1，而UiO-66 納米顆粒插層的膜通量從約170 增大到400 L·m-2·h-1·bar-1，并且在相同粒徑尺寸下，多孔的UiO-66 納米顆粒插層的GO 膜明顯比Fe3O4金屬納米顆粒插層的膜通量更高。

2.2.2 一維納米線插層 一維納米線插層材料在插層時(shí)會沿著一維納米材料引入連續(xù)的一維傳質(zhì)通道提高膜的傳質(zhì)效率，而且部分一維插層材料還可以通過提高膜表面的親水性或賦予膜光催化性能[38]等提高膜的抗污染性能。坡縷石[39]和海泡石[40]插層的氧化石墨烯膜通量分別為1867 L·m-2·h-1·bar-1和531.75 L·m-2·h-1·bar-1，對油滴有98%以上的截留率，由于這兩種材料有良好的親水性，因此通過插層提高膜分離性能的同時(shí)，還提高了膜的親水性和抗污染能力。而碳納米管插層的全碳GO 膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且對亞甲藍(lán)、甲基橙等染料有96%以上的截留率，Goh 等[23]制備的多壁碳納米管插層的GO 膜在錯(cuò)流測試中有出色的穩(wěn)定性，并且對帶正電的亞甲藍(lán)、帶負(fù)電的酸性橙Ⅱ和電中性的羅丹明B 染料有幾乎100%的截留率；Han 等[16]制備的多壁碳納米管插層的GO 膜對海藻酸鈉和腐殖酸有優(yōu)異的抗污染性能，且對Na2SO4和NaCl也表現(xiàn)出良好的截留率；Gao 等[41]制備的單壁碳納米管插層的GO 膜相比多壁碳納米管插層的GO 膜有更高的滲透通量，最高能達(dá)到720 L·m-2·h-1·bar-1；Wei等[42]通過g-C3N4納米管插層在實(shí)現(xiàn)高染料截留率的同時(shí)還賦予了膜光催化活性，可以通過降解污染物提高膜的抗污染性能。

前面提到的插層多是通過調(diào)控膜通道尺寸來提升膜的性能，除此之外還可以通過插層對GO 膜的通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾來提高膜通量。Ma 等[43]在石墨烯片上原位合成了垂直排列的磺化聚苯胺(SPANI)納米棒（圖1），由于磺化聚苯胺納米棒的垂直排列在液體環(huán)境中不穩(wěn)定，納米通道中流動的水產(chǎn)生的剪切力會使GO 納米片上的磺化聚苯胺納米棒彎曲和展平形成條紋陣列，這些條紋陣列在氧化石墨烯納米片上形成了連續(xù)的傾斜平面，并且這些納米片緊密堆積形成具有有序?qū)訅何⒔Y(jié)構(gòu)的膜，相鄰GO 納米片之間的傾斜條紋陣列在GO 膜內(nèi)形成錐形納米通道，降低了傳質(zhì)阻力并引入Laplace壓力作為內(nèi)部驅(qū)動力提高了膜通量，所得膜具有1222.77 L·m-2·h-1·bar-1的通量和90.44%的染料截留率。

圖1 磺化聚苯胺插層的氧化石墨烯膜制備過程示意圖[43]Fig.1 Schematic diagram of the fabrication steps of GO-SPANI membrane[43]

2.2.3 二維納米片插層 二維插層材料包括共價(jià)有機(jī)框架材料[44]、二硫化鉬(MoS2)[45]等，由于其特定的物理化學(xué)性質(zhì)，成為了一類代表性的氧化石墨烯膜插層材料。例如，COF 納米片具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)可在面內(nèi)引入額外的傳質(zhì)通道提高膜通量[46]；石墨氮化碳會引入光催化的特性[47]；帶有胺基的二維材料可以與GO 上的羧基形成共價(jià)鍵抑制GO 膜在水中的膨脹，提高膜的穩(wěn)定性等[48]。其中，COF 材料具有原子級的厚度，同時(shí)還具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)孔徑，作為氧化石墨烯膜的插層材料可在面內(nèi)引入額外的傳質(zhì)通道提高GO 膜通量[24]。Khan等[46]設(shè)計(jì)了帶胺基的共價(jià)三嗪框架(CTF)作為插層材料制備GO 膜，CTF 上的胺基和GO 納米片上的羧基形成共價(jià)鍵提高了膜的穩(wěn)定性，該膜的通量為226.3 L·m-2·h-1·bar-1，對剛果紅、阿爾新藍(lán)等染料都有90%以上的截留率。Sui等[44]制備的COF插層GO膜對亞甲藍(lán)、羅丹明B 等染料的截留率均在98%以上，通量為194 L·m-2·h-1·bar-1，并且在5 bar 壓力下測試10 h 膜依然保持穩(wěn)定。Kong 等[24]通過熱壓的方法促進(jìn)了COF 片和GO 片之間的鍵合相互作用，提高了膜在水中的穩(wěn)定性和對染料分子的截留率，該膜對亞甲藍(lán)染料的截留率為97.05%，通量為166.8 L·m-2·h-1·bar-1。

通過二維納米片的垂直插層可以顯著地增加GO 膜的通道尺寸，提高膜通量。Liu 等[49]將氨基單體錨定在GO 納米片上作為成核位點(diǎn)垂直生長COF納米片(圖2)，將氧化石墨烯的層間距從0.81 nm 增大到42 nm，膜通量增大到11800 L·m-2·h-1·bar-1，對泵油、豆油等多種油滴截留率均高于99.9%，并且COF 納米片插層的膜在0～5 bar 內(nèi)膜的滲透通量與跨膜壓力呈線性相關(guān)，在水中浸泡兩個(gè)月后膜的外觀未發(fā)生變化，具有良好的穩(wěn)定性。

圖2 GO上垂直生長COF納米片示意圖及SEM圖像[49]Fig.2 Schematic diagram of vertically grown COF nanosheets on GO and SEM image[49]

2.3 垂直和三維通道氧化石墨烯膜

通過插層可以調(diào)控氧化石墨烯膜的層間距，提高膜的分離性能，但氧化石墨烯曲折的傳質(zhì)通道限制了通量的進(jìn)一步提升，而通過構(gòu)建垂直通道和三維通道的氧化石墨烯膜有希望突破這一難題。垂直通道的氧化石墨烯膜和層狀氧化石墨烯膜均通過氧化石墨烯納米片的層間通道進(jìn)行篩分和傳質(zhì)，但是垂直通道構(gòu)筑的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于將二維氧化石墨烯納米片垂直組裝成膜形成垂直通道，目前文獻(xiàn)報(bào)道的構(gòu)建垂直通道的方法有通過褶皺產(chǎn)生垂直通道[50]和定向冷凍制備氧化石墨烯氣凝膠[51]兩種方法。三維通道氧化石墨烯膜是將氧化石墨烯氣凝膠制備成膜，與構(gòu)建垂直通道時(shí)不同，其中的氧化石墨烯納米片是無序排列的，氧化石墨烯氣凝膠具有發(fā)達(dá)的孔隙、更大的孔徑和更短的傳質(zhì)路徑[52]，但目前的氧化石墨烯氣凝膠膜在孔道尺寸和膜厚度的調(diào)控上還需進(jìn)一步研究。Liu 等[50]提出了一種通過褶皺制備垂直通道的方法，將Zr4+作為添加劑與帶負(fù)電氧化石墨烯組裝成層狀的氧化石墨烯膜，然后將膜通過熱活化收縮產(chǎn)生一維褶皺形成垂直通道，最后去除膜褶皺頂部和底部的脊尖暴露通道的入口和出口，制備了具有垂直通道的GO 膜。Liu等[51]將氧化石墨烯溶液與一定量的聚酰胺雙肟(PAO)和氫氧化鈉水溶液混合（圖3），然后轉(zhuǎn)移到模具中在液氮表面進(jìn)行定向冷凍，氧化石墨烯在定向冷凍過程中跟隨PAO 的遷移垂直排列以形成垂直通道，最后通過真空冷凍干燥成膜。有研究者報(bào)道發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯分散體的液晶行為[53]，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化石墨烯納米片的定向排列[54]，這為構(gòu)建垂直通道的GO膜提供了新思路。

圖3 PAO/GO膜的制備過程[51]Fig.3 Schematic diagram of PAO/GO membrane preparation[51]

三維膜通道的氧化石墨烯氣凝膠膜具有發(fā)達(dá)的孔隙，能夠提供更多的傳質(zhì)通道，提高傳質(zhì)效率[55]。He 等[52]通過氫鍵介導(dǎo)的還原氧化石墨烯(rGO)的還原誘導(dǎo)自組裝制造了還原氧化石墨烯氣凝膠膜(rGOAM)。GO 的含氧官能團(tuán)在還原過程中被部分去除并變成rGO，rGO 層間π-π 和疏水相互作用的增加導(dǎo)致納米片部分重疊和互鎖形成多孔還原氧化石墨烯氣凝膠(rGOA)，而在構(gòu)建rGOA 的過程中引入聚乙二醇(PEG)作為介體，通過PEG 與GO 的含氧基團(tuán)形成氫鍵相互作用在還原過程中取代層間π-π 和疏水相互作用，可以抑制rGOAM 的結(jié)構(gòu)收縮，調(diào)節(jié)孔徑的尺寸。rGOAM 具有0.33～0.62 μm 的可調(diào)孔徑和95%的高孔隙率，在0.1 bar下的水通量高達(dá)4890 L·m-2·h-1·bar-1，對于泵油、玉米油等均有接近100%的截留率。

3 抗污染氧化石墨烯膜構(gòu)筑

膜污染是膜分離技術(shù)在應(yīng)用過程中的一大挑戰(zhàn)。膜分離過程中的主要污染物是有機(jī)和生物污染物[56]。有機(jī)污染物主要包括油類、生物大分子和天然有機(jī)物；生物污染主要是各種細(xì)菌和藻類。根據(jù)污染物的尺寸和抗污染策略的不同可以將污染物分為分子級污染物和微納米級污染物，分子級污染物主要包括染料分子和一些天然有機(jī)物(NOM)等;微納米級污染物主要是油滴和細(xì)菌藻類等。分子級的染料等主要是納濾過程中的污染物，油滴主要是微濾過程中的污染物，而天然的有機(jī)物和細(xì)菌藻類等則根據(jù)水質(zhì)不同在納濾和微濾過程中均有可能存在。

膜污染是由污染物與膜表面的相互作用產(chǎn)生的，因此膜表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高膜抗污染性能的關(guān)鍵。而在膜的制備過程中引入分子或納米材料，通過調(diào)控膜表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和微納拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，調(diào)控膜表面與污染物的界面相互作用，探索污染物、水分子在膜表面的吸附、聚集、組裝等動態(tài)演變行為，從介尺度角度建立抗污染機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)抗污染膜表面可控構(gòu)建的有效策略。膜的抗污染策略一般可以分為被動策略和主動策略。被動抗污染策略是指通過膜表面的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑削弱污染物與膜表面之間的相互作用防止污染物吸附或沉降，可進(jìn)一步分為構(gòu)筑親水表面抑制非特異性相互作用并防止污染物附著在膜表面的抗污染策略和構(gòu)建低表面能的表面削弱污染物與膜界面的相互作用使得污染物更容易從膜表面去除的污染釋放策略。主動策略指的是在膜上引入殺菌劑通過殺菌劑殺死細(xì)菌，或通過光催化等主動去除膜表面的污染物。對于染料等分子級的污染物來說，可通過在GO 膜中引入有光催化活性的材料進(jìn)行光催化降解或者通過電化學(xué)氧化降解[57-58]。而對于微納米級別的油滴污染和細(xì)菌污染，更多地還是通過構(gòu)筑親水性的表面形成致密的水化層，減少污染物在膜表面的黏附；細(xì)菌等生物污染可在膜表面引入滅菌劑主動進(jìn)行滅殺[59]，以減少其附著和增殖。

3.1 抗分子污染策略

對于分子體系的污染，結(jié)合石墨烯本身優(yōu)異的光電性能，通過引入光催化降解和電化學(xué)降解可有效去除膜污染，提高氧化石墨烯膜的抗污染性能[42,57,60-63]。具光催化活性的TiO2[38]、石墨氮化碳[42]等通過插層的方式加入到GO 中，在提高膜抗污染性能的同時(shí)也會帶來通量的提高。Zhu 等[64]將TiOSO4作為Ti 源在GO 表面原位生長TiO2顆粒，二氧化鈦顆粒的引入提高了膜的抗污染能力，將膜的通量恢復(fù)率提高到了96%。除了二氧化鈦納米顆粒，二氧化鈦納米線插層的GO 膜可在紫外線下降解剛果紅染料，提高膜的抗污染性能[38]。Zhao 等[47]將石墨氮化碳納米片(g-C3N4NS)和還原氧化石墨烯通過真空抽濾組裝成膜，還原氧化石墨烯作為電子受體促進(jìn)光生電荷分離，提高了g-C3N4NS的光催化效率。過濾和光催化的集成使得膜對羅丹明B的去除效率是單獨(dú)膜過濾的4 倍，集成過程還顯示出比單獨(dú)過濾高三個(gè)數(shù)量級的大腸桿菌的有效滅活，集成過程的滲透通量是單獨(dú)膜過濾的3.7 倍，表明石墨氮化碳納米片復(fù)合的氧化石墨烯膜有更好的分離性能和抗污染性能。光芬頓催化劑M88A 可以通過真空過濾直接嵌入GO 納米片中，不僅可調(diào)節(jié)二維納米通道，且可賦予膜光芬頓催化活性。因此基于協(xié)同分離/光芬頓工藝的GO/M88A 膜顯示出更高的分離效率和通量，是原GO膜的6倍以上。且經(jīng)過12次亞甲藍(lán)分離測試，GO/M88A膜仍能保持較高的分離效率(97.87%)和幾乎恒定的通量。該膜還可直接用作光芬頓催化降解污染物的催化劑，對MB 和BPA 的 降 解 效 率 分 別 可 達(dá) 98.81% 和97.27%（圖4）[65]。

圖4 用于亞甲藍(lán)溶液的GO/M88A膜的分離和自清潔過程[65]Fig.4 The separation and self-cleaning process of GO/M88A membrane for MB solution[65]

電化學(xué)清洗是一種去除膜污染的有效辦法，當(dāng)膜帶電時(shí)可以通過電斥力減少膜污染，并且將氧化石墨烯膜作為陽極時(shí)可以通過電化學(xué)氧化分解污染物分子去除膜污染，在電化學(xué)清洗的過程中可以防止微氣泡、納米顆粒和高活性羥基自由基的形成，可以很大程度上避免對膜結(jié)構(gòu)的破壞[66-67]。Sun等[58]通過制備導(dǎo)電水凝膠膜開發(fā)了一種導(dǎo)電膜組件，作為電膜反應(yīng)器中的膜電極，在不同氧化還原狀態(tài)下膜孔徑都保持穩(wěn)定。膜的水通量恢復(fù)率是受電解液濃度和自清洗時(shí)間控制的，當(dāng)牛血清蛋白濃度為100 mg·L-1時(shí)，在Na2SO4濃度為0.1 mol·L-1的情況下，膜自清洗60 min 后，通量恢復(fù)率為99%，減少清洗時(shí)間時(shí)，膜通量恢復(fù)率也會下降，而當(dāng)Na2SO4濃度降到0.01 mol·L-1時(shí)，通量恢復(fù)率降到94.5%。

3.2 抗微納米污染策略

微納米尺度的油滴污染物不穩(wěn)定，很容易在水溶液中變形和聚集，當(dāng)油滴接觸水下膜表面時(shí)，會沿著膜-油-水三相界面變形、滲透和擴(kuò)散，而膜表面的潤濕性對油污的污染行為有很大影響。油滴與膜表面之間的疏水相互作用導(dǎo)致油-膜界面的界面自由能(γO-M)比水-膜界面的自由能(γW-M)低得多，根據(jù)楊氏方程(圖5)，油水接觸角減小，油滴傾向于在膜表面擴(kuò)散，因此多采用被動抗污染策略，構(gòu)建親水表面降低水-膜界面的自由能γW-M，抑制油滴在膜表面的擴(kuò)散，提高膜的抗污染性能[56,68-71]。因此通過在GO 表面引入更多的含氧官能團(tuán)[72-73]，在GO 上接枝親水的高分子[74-75]等，提高膜表面的親水性均可增強(qiáng)膜的抗污染性能。Zhao等[39]將具有良好親水性的坡縷石與氧化石墨烯插層組裝，制得了具有水下超疏油性和低油黏附性的膜，對十六烷油水乳液的通量恢復(fù)率為93%。Liu等[49]在GO 納米片上生長親水的COF 納米片，然后通過真空輔助自組裝成膜，由于結(jié)構(gòu)單元的親水性和分層納米結(jié)構(gòu)，所制備的膜具有水下超親水性和超疏油性，對泵油、十六烷等多種油水乳液的通量恢復(fù)率都保持在94%以上。

圖5 固-油-水三相系統(tǒng)中可擴(kuò)散油污過程的示意圖[76]Fig.5 Schematic representation of the process of spreadable oil fouling in a solid-oil-water three-phase system[76]

生物污染和單一的有機(jī)污染之間的最大區(qū)別是生物的增殖行為，除了前面提到的構(gòu)建親水表面防止細(xì)菌的附著外，一些材料還具有殺菌特性，將這些材料引入膜材料中可以阻止其增殖，提高膜的抗生物污染性能[77]。有研究表明，GO 納米片的水溶液有優(yōu)異的抗菌性能，可通過納米片的鋒利邊緣破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但GO 納米片堆疊在一起后會失去這種殺菌能力[78-79]。銀是一種常用的抗生物污染材料，可通過穿透細(xì)菌細(xì)胞壁、釋放的銀離子等多種機(jī)制破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁殺滅細(xì)菌[59,80]。兩性離子三甲胺-N-氧化物(TMAO)獨(dú)特的“—N+—O-—”結(jié)構(gòu)可以在膜表面形成堅(jiān)固的水合層，降低細(xì)菌在膜表面的黏附，同時(shí)頭部的季銨基團(tuán)還具有細(xì)胞滅活的能力，這兩種方式協(xié)同賦予了膜優(yōu)異的抗污染性能[81]。

4 結(jié) 論

近年來，高通量抗污染氧化石墨烯膜的精密構(gòu)筑和制備取得了很大的進(jìn)展。通過插層材料的選擇，可從埃級到納米級調(diào)控氧化石墨烯膜的通道尺寸，隨著膜通道的增大，氧化石墨烯的通量也隨之增加，從數(shù)L·m-2·h-1·bar-1增大到10000 L·m-2·h-1·bar-1以上，且氧化石墨烯精確的通道控制可在一定程度上克服“trade-off”效應(yīng)，在染料分子和油水分離過程中保證截留率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通量的進(jìn)一步提升。通過引入分子或納米材料，構(gòu)建親水表面或引入光催化等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了膜抗污染性能的強(qiáng)化。盡管氧化石墨烯膜構(gòu)建及應(yīng)用過程中均涉及介尺度問題，目前尚未有研究從介尺度的角度主動設(shè)計(jì)、調(diào)控氧化石墨烯膜，對成膜基元、應(yīng)用體系中的物質(zhì)隨時(shí)空動態(tài)演變的介尺度機(jī)制缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。

對高通量氧化石墨烯制備與應(yīng)用提出如下發(fā)展方向。

（1）通道結(jié)構(gòu)多元化。傳統(tǒng)氧化石墨烯膜中多為二維層間納米通道，其曲折度較高，限制了水通量的提升。因此，通過可控組裝，在膜內(nèi)構(gòu)建垂直和三維通道等新型的通道結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步縮短膜的傳質(zhì)路徑，是提高膜滲透通量的一種可行策略。

（2）傳質(zhì)機(jī)制創(chuàng)新。由于氧化石墨烯膜通道尺寸大多在納米級甚至埃級，水在其中以納米流體的形式傳遞，此時(shí)孔道壁面與流體的相互作用(即“壁效應(yīng)”)成為影響納米流體傳遞行為的重要因素，因此，需要基于納米流體學(xué)和流固耦合思想，創(chuàng)新氧化石墨烯膜傳質(zhì)機(jī)制。在傳質(zhì)機(jī)制創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，調(diào)控膜納米孔道壁面的物理化學(xué)微環(huán)境，降低水-壁面的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)水在孔道內(nèi)快速傳遞。

（3）介尺度機(jī)制探索。在膜的制備過程中，微觀的聚集體組裝成膜的過程會影響膜表面和通道結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，從而影響膜的性能；在膜的應(yīng)用過程中，宏觀流體的跨膜傳質(zhì)和分離以及膜內(nèi)納米流體的傳質(zhì)行為均受膜表面或通道結(jié)構(gòu)的影響。因此要通過計(jì)算模擬和更多的表征手段來研究膜制備和應(yīng)用過程中膜結(jié)構(gòu)隨時(shí)空演變的介尺度機(jī)制，從介科學(xué)視角深入探究氧化石墨烯膜的構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分離和抗污染性能的協(xié)同強(qiáng)化。