正渗透（FO）过滤工艺因其优点（例如较低的运行和维护成本以及对高盐溶液的过滤能力）而显示出了潜力，可用于废水处理和海水淡化。近年来，在有机溶剂回收和药物浓缩领域，FO过滤工艺也引起了越来越多的关注。复合正向渗透薄膜（TFC-FO）（由涂覆有聚酰胺（PA）选择性层的多孔基材层组成。当前的FO膜面临一些挑战，例如渗透性和选择性之间的权衡问题。在有机溶剂正渗透（OSFO）的应用中，除了提高膜性能的挑战外，由于大多数商用TFC膜是在基于聚砜（PSf）和聚醚砜）（PES）的基底上制造的，因此选择基底膜还面临着新的挑战。基于PSf或PES的基材显示出较低的耐有机溶剂性，从而限制了TFC膜在有机溶剂回收中的应用。
作为一种二维（2D）纳米片，MXene具有诸如大表面积、丰富的纳米通道、亲水性和良好的机械性能等特性。近年来，MXene已用于超级电容器、锂离子电池以及用于水和有机溶剂过滤等领域。但是，类似于仅由氧化石墨烯（GO）和二硫化钼（MoS2）纳米片制成的膜，由MXene纳米片制备的膜难以实现稳定、大规模和无缺陷的生产。
基材和聚酰胺层之间的纳米片中间层的设计已引起越来越多的关注，以改善复合薄膜的性能。然而，膜的尺寸受到当前制造方法如真空抽滤的限制。近日，澳大利亚CSIRO制造公司Zongli Xie等研究人员基于在尼龙基材上简便且可扩展地涂刷MXene涂层以及界面聚合工艺的组合，制备了一种高性能MXene夹层聚酰胺正向渗透（FO）膜。制备的FO膜在使用2.0 mol L–1氯化钠作汲取溶液时呈现出31.8 L m –2 h –1的高水渗透性和0.27 g L–1的低盐渗透量，这归因于通过涂覆MXene来调节基材性和聚酰胺层的性能，以及通过MXene的层间距促进水的传输。
该膜还表现出良好的有机溶剂渗透性能，在的条件下具有较高的乙醇通量9.5 L m –2 h –1和 0.4 g L–1的低盐通量。此外，MXene夹层FO膜在实际的海水淡化和纺织工业废水处理中具有实用性。这项工作为制备具有优异的脱盐和有机溶剂回收性能的纳米材料夹层FO膜提供了新思路！这项研究工作以“Scalable Ti3C2TxMXene Interlayered Forward Osmosis Membranes for Enhanced Water Purificationand Organic Solvent Recovery”为题发表在国际着名期刊《ACS Nano》上。
论文链接：
/doi/full/10.1021/acsnano.0c04471
图1. MXene和MXene/尼龙基底。(a) MXene胶体在水中的丁达尔效应。(b) MXene纳米片的SEM图像。(c) MXene纳米片的TEM图像。(d) MXene纳米片的FFT图。(e) MXene/尼龙基底制备示意图。(f) MXene/nylon基材(24厘米×8厘米)与一个涂层周期的照片。(g) 不同浓度MXene溶液的MXene/尼龙基底。(h)原始尼龙基材和MXene/尼龙基材的表面扫描电镜图像
图2. MXene夹层FO膜。（a）FO-0，FO-1C-0.8和FO-5C-1.6膜的表面SEM图像。（b）FO-0，FO-1C-0.8和FO-5C-1.6膜的断面图像。（c）在少量MXene或不使用MXene的MXene /尼龙基材上聚酰胺的形成机理。（d）MXene /尼龙基材中间负载MXene时聚酰胺的形成机理。（e）MXene /尼龙基材上的MXene大量负载时聚酰胺的形成机理
图3 MXene夹层FO膜的纯净水通量和盐通量
图4 FO-1C-0.8膜的过滤性能
图5 在有机溶剂过滤测试中，FO-1C-0.8膜的乙醇通量和盐通量
总而言之，作者报道了一种在尼龙微孔膜上刷涂MXene和界面聚合工艺相结合的方法，以简便、可大规模制备的方式制备出MXene夹层FO膜。MXene/尼龙基材的性能由涂布周期数和MXene溶液浓度控制。此外，MXene夹层FO膜具有卓越的渗透性和脱盐性能，克服了常规复合薄膜在渗透性和选择性之间的权衡问题，MXene夹层FO膜也显示出了优异的有机溶剂回收的潜力，将在海水淡化和有机溶剂回收领域发挥重要作用。（文：嘉一）
