CREST | 湖南大学柳斌团队：催化辅助纳滤去除微污染物——耦合系统构建vs催化膜设计

导读

 

湖南大学柳斌团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“催化辅助纳滤去除微污染物——耦合系统构建vs催化膜设计（Critical review of catalysis-assisted nanofiltration for micropollutants removal: catalytic coupled nanofiltration system VS catalytic nanofiltration membrane; DOI: 10.1080/10643389.2022.2113319; Published online: 21 Aug 2022）”的综述文章。

催化辅助纳滤 (catalysis-assisted nanofiltration) 由于其高效选择性与污染物降解效能，可应用于去除微污染物。其可以克服纳滤膜微污染物选择分离效果差，及突破膜滤过程中trade-off效应。目前基于催化辅助纳滤研究主要包含催化纳滤耦合系统构建与催化纳滤膜设计两类技术路线。本研究从催化纳滤耦合系统和催化纳滤膜设计的设计原理出发，基于催化条件与目标，讨论了两类技术路线的催化和过滤性能，分析比较催化膜材料设计创新原理与制备策略，总结梳理催化辅助纳滤技术的前景与挑战，以期为催化辅助纳滤技术模块化设计与开发提供方向与指导。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

近年来，催化氧化辅助膜滤工艺被认为是具有广阔前景的水处理技术。目前的研究重点主要在探索/优化催化辅助膜滤工艺水处理过程中的降解、截留与去除性能。此外，工艺的催化活性、膜污染控制、膜分离效率、自清洁性能也是研究的热点（图2）。催化辅助纳滤技术去除水中微污染物的优势包括：高渗透效率与自清洁性能提升；减少二次污染；催化剂的回收与回用；延长催化时间；出水安全保障。催化辅助纳滤技术根据催化单元位置特点分为：催化耦合纳滤系统（CNS）和原位催化膜（CNM）。CNM同时具备催化和过滤双重功能，代表了多功能膜设计的新趋势。相对于催化辅助微滤（MF）/超滤（UF）技术，催化辅助纳滤可明显提升微污染物去除效率、增强纳米级催化材料稳定性。

图2 催化氧化与纳滤去除微污染物热词分析

解决催化剂稳定性、膜渗透效率与催化效率间的trade-off关系，是构建催化辅助纳滤的基础。尽管CNS和CNM均被广泛报道与研究，尚未有研究人员系统比较两者间的催化与过滤效能及特点。因此讨论CNS与CNM对于微污染物的去除、膜污染控制与出水水质提升方面的效率、机理和挑战十分有必要。催化辅助纳滤体系基于催化类型包括但不限于生物催化、光催化、芬顿/类芬顿催化和臭氧催化（图3）。催化系统的确定与进水特征和水质处理目标相关，其中芬顿/类芬顿催化与臭氧催化可用以医疗废水与部分难降解工业废水处置；光催化可用于分散式优质饮用水系统；生物催化可用作市政水处理与工业水处理。

图3 催化辅助纳滤系统构建与特征

为实现高效微污染物去除，CNM设计中对催化性能和结构的要求更为严格，并且催化剂/氧化剂与膜结构性质对催化效率的影响较大。成功的催化纳滤膜设计不仅提升微污染物去除效率，还赋予CNM高效的催化剂截留率、促进渗透性和减少膜污染等特征。目前报道较为广泛的设计方法包括：coating、bottom-up synthesis 和blending等，其中coating和bottom-up synthesis由于具备催化层的精准构建优势，相关研究更为广泛。相较于CNS，CNM的模块设计更为集约，这有利于未来一体化设备装备化。

总结与展望

CNS的优势包括广泛的催化材料选择、可控的催化过程、易于补充催化剂和可忽略的传质限制。然而，CNS系统纳米级催化剂回收的困难需要予以克服。CNM的设计通常可同时提升纳滤膜的渗透性和抗污染性能，并且可针对目标微污染物分子量，合理设计CNM分离尺寸。催化层稳定性、催化层催化效率是CNM设计的重点。这是关于CNS与CNM技术路线梳理和展望的第一篇综述。对现有技术路线的批判性总结使我们能够更合理地构建和设计催化辅助纳滤技术。虽然催化辅助纳滤是最有前景的催化辅助膜过滤技术，在该领域的研究还远远不够，我们为将来的研究提供一些建议，包括更深入地从膜寿命角度设计和构建催化辅助纳滤系统，进一步探讨CNM中微污染物迁移转化机制，优化CNS和CNM的催化与过滤效率，建立更加全面和有针对性的水质风险评估体系。

作者简介

第一作者简介：

朱婷婷，湖南大学土木工程学院在读硕士研究生，目前的研究兴趣集中在新兴污染物削减与膜污染原理解析。以第一作者在Water Research、Critical Reviews in Environmental Science and Technology和ACS ES&T Water等期刊发表SCI论文5篇。

通讯作者简介：

柳斌，博士，副教授，博士生导师，湖南大学“岳麓学者”。主要从事膜法水处理技术方面的研究，以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials、Critical Reviews in Environmental Science and Technology、Environmental Science & Technology和Water Research等期刊发表论文30余篇。

|撰稿：湖南大学柳斌团队

|编排：曾镜羽

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