一张神奇过滤膜让工业染料废水瞬间变清水

随着人类工业活动的不断增加，水污染已经成为全球关注的重要问题。众多的水处理技术中，膜过滤技术因为高效、节能的特点被认为是一种非常有前景的污染物去除方法。然而，这项技术在实际应用中面临着一个巨大的问题：如何让水流快速通过（高水通量）的同时，又能把目标污染物拦截得干干净净（高去除率）？

这篇研究设计出了一种新型的“MXene沉积复合膜”（简称MCM），有效地解决了这个难题。这项研究的核心工具是一种叫做 MXene 的二维纳米材料。如果我们把它放在高倍显微镜下观察（如论文中的图2所示，展示了该材料在扫描电子显微镜和透射电子显微镜下的形貌），会发现它呈现出一种像书本一样层层叠叠的结构，由许多极薄的纳米片组成。更为神奇的是，这种材料的层间距只有1.41纳米，就像是一个极其精密的“纳米级过滤网”。

为了让这种纳米材料发挥实际作用，研究人员采用了简便的制作方法。将稀释后的 MXene 悬浮液，通过抽滤的方式，直接沉积在市面上常见的混合纤维素酯（MCE）滤膜上。在论文的图1中，清晰地展示了这一制备流程：黑色的 MXene 溶液经过抽滤后，在原本白色的 MCE 膜表面形成了一层薄膜，随后这层复合膜被组装到过滤装置中，把深蓝色的染料水瞬间过滤成了清澈透明的净水。

这种复合设计的巧妙之处在于商业化的 MCE 滤膜内部布满了微米级的细孔，提供了极佳的透水通道；而表面的 MXene 纳米片则构成了超细的阻截层，两者强强联手，实现了优势互补。为了验证这层膜的应用效果，研究人员使用工业废水中典型的污染物——“亚甲基蓝”染料溶液进行了过滤测试。

在显微镜下观察（如图4所示），沉积了 MXene 的复合膜表面呈现出明显的微观褶皱结构，并且随着沉积量的增加，膜的颜色会从紫色逐渐加深为黑色。同时，测试显示这种复合膜具有极好的亲水性，意味着水分子非常“喜欢”它，能够更容易地渗透过去。

过滤实验的数据展示了这种复合膜出色的性能（如图5展示了不同负载量下膜的纯水通量和染料去除率变化）：

• 在较低的 MXene 负载量下，这种复合膜的纯水通量极高，达到了市售 UTC60 膜的7.78倍，意味着水流通过的速度大大加快。

• 当染料废水的浓度高达每升75毫克时，在特定的负载量（MCM 0.6）下，这种复合膜不仅能保持较快的水流速度，还能实现染料 100% 的完全截留。

• 在长时间的运行测试后，该膜在达到稳定状态时，依然能保持每平方米每小时28.94升的较高水通量，并维持约 94.63% 的染料去除率。

为什么这层薄薄的复合膜能够做到既快又干净？研究人员对其背后的分离机制进行了深入的剖析，发现其实是“吸附”和“物理拦截”两种方式在协同作战：

第一步，主动“吸附”： MXene 材料的表面带有丰富的含氧官能团，这让它带有负电荷，再加上其表面的微观褶皱结构，使得复合膜在过滤初期就像一块“海绵”，通过静电吸引等方式把染料分子牢牢吸附在表面。

第二步，精准“拦截”： 当膜表面的吸附位置逐渐被占满后，MXene 纳米片 1.41纳米的极小层间距就发挥了“物理筛子”的作用。因为水分子的平均直径只有0.29纳米，可以毫不费力地穿过这些微小的缝隙；体积庞大的染料分子则被有效地阻挡在膜外。

学者介绍：闵永刚，广东工业大学材料与能源学院教授、博士生导师，广东工业大学特聘教授，俄罗斯工程院外籍院士。主要研究方向包括有机光电功能材料与器件、多维功能化石墨烯复合材料与应用、高性能聚合物材料与加工、半导体用光刻胶及 PCB 先进封装技术，以及绿色催化及其在 CO2 减排和再利用中的应用，聚焦高性能聚合物材料开发及其在电子信息显示和半导体电子封装领域的技术创新、产品开发与产业化等问题。

ORCID：0000-0001-9215-8742

DOI：10.1016/j.jhazmat.2019.121367