用于微污染物水处理的光催化膜：现状与未来前景

《Desalination》：Photocatalytic membranes for water treatment of micropollutants: Current status and future prospects

光催化膜技术通过物理分离与高级氧化协同作用，有效去除水体中微污染物，但其膜渗透性、选择性与催化活性间的权衡问题亟待解决。本文系统总结了光催化膜的机理、制备方法及结构优化策略，重点阐述孔隙工程设计与多技术耦合对提升水通量、污染物截留率和降解效率的关键作用，并提出了下一代智能光催化膜的研发方向。

　　

Jiahui Wang | Shilong Li | Kecheng Guan | Dong Zou

南京工业大学环境科学与工程学院，南京，211816，中国

摘要

光催化膜水处理技术将物理分离与高级氧化技术有机结合，为水处理提供了一个有前景的绿色可持续平台。然而，其在去除微量污染物方面的效果受到膜渗透性、选择性和光催化活性之间固有权衡的限制。为了克服这一挑战，合理的膜设计以及对分离-降解协同作用的深入理解至关重要。本文系统总结了光催化膜的内在机制、制备方法和结构优化策略，特别关注了孔结构工程。文章还全面回顾了旨在提高水通量、污染物去除率、降解效率和催化剂稳定性的新兴设计策略，包括引入缺陷位点、精确调节孔特性（尺寸、形态、表面化学性质）以及与互补氧化过程的耦合。最后，本文对下一代高性能光催化膜的发展提供了前瞻性展望。这项工作为设计高效膜系统以针对性去除水中的微量污染物提供了基本见解和实用指导。

引言

淡水资源的消耗不断增加以及废水的持续排放引发了全球性水危机，威胁着人类的生存。水回收和再利用技术对于缓解这一短缺问题至关重要[1]。其中，膜分离技术因其低能耗和操作简便性而备受重视[2]。该过程利用半透膜作为选择性屏障，在外部驱动力的作用下实现分离。然而，传统的膜技术仅依赖物理筛分[3]，无法降解污染物，只是将其浓缩，同时还会导致严重的膜污染[4]，从而降低效率并增加运营成本。此外，各种新兴的有机微量污染物（如药物残留物、抗生素和内分泌干扰化学物质）对环境构成了重大威胁。然而，膜分离技术在处理痕量微量污染物时的效果仍然受到严重限制[5]。

为了解决单一分离方法的局限性，出现了多功能混合膜技术，将膜过滤与生物、电化学[6]或催化过程[7]相结合。光催化膜技术尤其具有前景[8]，因为它将膜分离与光催化氧化有机结合，成为一种高效且环保的污染物矿化方法。

光催化膜是通过将半导体催化剂固定在膜基质上或内部制备而成的[9]。在光照作用下，这些催化剂会产生高活性的氧化物种（如羟基自由基）。这些自由基具有双重作用：在膜表面矿化有机污染物以减轻污染，并直接将膜附近的微量污染物降解为CO₂和H₂O等无害产物[10]。与传统光催化反应器相比，膜系统解决了催化剂回收和固定的关键问题，防止了二次污染。此外，膜的浓缩效应提高了目标污染物的局部浓度，从而提高了氧化物种的利用效率。这对于处理微量污染物具有显著优势。近年来，通过结合氧化过程，光催化膜在高效降解污染物、控制膜污染和延长膜寿命方面取得了显著进展[11]。相关文献的关键词分析将研究集中在四个主要方向：光催化材料和高级氧化技术、水溶性微量污染物的去除机制、功能性复合膜材料的开发以及膜分离过程和表面性能的优化（图1）。

在本文的综述中，详细讨论了基于TiO₂[12]、g-C₃N₄[13]和金属有机框架（MOFs）[14]的光催化膜的发展进展，重点介绍了催化剂的合成、表征和应用。尽管这些工作推动了催化剂的发展和工艺优化，但它们并未系统地解决核心问题：膜渗透性、选择性和催化活性之间的固有权衡。对于微量污染物的去除，开发高效催化剂仅仅是第一步。更重要的挑战在于精确设计膜的孔结构，以充分利用催化活性而不影响分离性能，从而克服这一性能权衡。因此，深入理解结构-性能关系至关重要，特别是催化剂纳米结构与定制膜孔网络的协同整合如何决定整体催化分离效率，这仍然是一个未被充分探索的前沿领域。

作为回应，本文系统分析了光催化膜在去除微量污染物方面的最新进展。与以往的研究不同，本文重点关注结构-性能关系和以孔结构工程为中心的设计策略。首先概述了基本机制，然后评估了制备方法。重点介绍了旨在协同提高通量、选择性和催化活性的孔结构优化策略，包括缺陷工程、精确孔调节和工艺混合（图2）。最后，本文提出了开发智能、高通量且具有工业可行性的下一代光催化膜系统的未来研究方向。这项工作不仅旨在巩固现有知识，还为高效光催化膜的设计提供了实用指导，以实现先进的水净化。

光催化的机制、过程和催化剂选择

水中的微量污染物对环境和人类健康构成严重风险[15]。光催化膜通过将分离和降解结合为一个连续过程来解决这一问题。在此过程中，光激活的催化剂产生活性氧物种（ROS），在原位矿化残留的污染物。本节详细描述了这一协同过程中的光催化机制和关键催化剂。

膜分离过程和机制

在光催化膜系统中，膜模块同时作为固液分离单元和催化剂支撑结构。其分离行为与光催化过程密切相关。因此，明确理解膜分离的基本原理和过程对于分析光催化膜的工作机制、制备和优化至关重要。

光催化膜的分类和制备方法

光催化膜的结构取决于催化剂集成方法和膜基材类型，这最终决定了其制造策略、最终性能和实际可行性。精确控制这一结构对于平衡关键性能并最大化光催化与分离之间的协同作用至关重要。根据催化剂集成方式和膜结构，光催化膜可以分为四个主要类别（图7）：

光催化膜效率的优化策略

尽管光催化膜在污染控制和协同净化方面具有潜力，但其核心挑战在于平衡膜分离与光催化降解，以实现高效稳定的微量污染物去除。催化剂活性和可用活性位点的限制阻碍了其在实际环境基质中催化降解有机污染物的能力[109]。传统的膜材料和催化剂设计往往是独立的，甚至...

结论与未来展望

光催化膜技术通过有效结合选择性分离和原位化学氧化，为水净化和处理提供了一种变革性策略，以应对水体中微量污染物的持续挑战。本文系统探讨了控制膜性能的基本机制、制备方法和结构设计原则。核心挑战在于膜渗透性、...

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Dong Zou博士是《Desalination》杂志的副主编，但未参与本研究的处理或评审工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：22208145和22578197）、江苏省高等教育机构自然科学基金（项目编号：25KJA530003）、江苏未来膜技术创新中心（项目编号：BM2021804）以及日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI（项目编号：JP23K13588）的财政支持。