《Separation and Purification Technology》：Non-architectural assisted MXene and MOF materials for high-performance oil–water separation
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油水分离技术面临乳化稳定和抗污挑战，MXene和MOF材料通过表面化学、纳米通道和可调孔结构实现高效分离。MXene利用层状结构和亲水表面促进水传输并排斥油滴，MOF通过金属-有机配位提供分子级选择性和催化降解能力。两者结合结构-功能设计可提升分离效率与抗污性，但需解决稳定性、规模化及安全性问题。
Brij Mohan|Bakhtiyar Najafov|Virender Virender|Ismayil M. Garazade|Suman Mukhopadhyay|Dan Zhang|Gurjaspreet Singh|Armando J.L. Pombeiro|Wei Sun
里斯本大学高等技术学院分子科学研究所结构化学中心，葡萄牙里斯本Rovisco Pais大道1049-001
摘要
由于废水的复杂性和严格的监管要求，油水混合物的分离至关重要。传统方法往往难以处理乳化液和污染问题。本文综述了基于MXene和MOF材料的新型分离技术的发展，这些材料侧重于表面化学、纳米级传输和界面相互作用，而非复杂结构。MXene材料能够快速传输水并排斥油，实现高水通量和极高的油排斥率。另一方面，金属有机框架（MOFs）具有可调的孔径、可定制的表面化学性质和催化功能，可增强选择性分离效果，促进乳化液分解并降解污染物。这些过程中的关键机制包括尺寸筛选、润湿性、静电相互作用和反应性自清洁。然而，仍存在稳定性、可扩展性和安全性等挑战。本文讨论了结构与功能之间的关系、分离机制以及开发用于工业废水处理的耐用多功能材料的策略。
引言
油水混合物的分离在石油工业、石化加工、海运和制造业领域一直是一个重要的技术挑战。随着环境法规的日益严格（例如许多地区要求烃类浓度低于10 ppm），对能够在复杂和波动条件下高效分离的技术需求不断增加。同时，由于非常规石油开采的扩大、高含水率储层的存在以及表面活性剂和聚合物添加剂的广泛使用，工业油废水的处理变得更加困难[1]、[2]。传统的油水分离技术（如重力分离器、聚结器、撇油器和压力驱动膜系统）因其操作简单、可扩展性和长期工业验证而被广泛采用[3]、[4]。然而，这些方法存在固有的局限性：基于重力的方法对微米级和亚微米级油滴无效；尽管膜系统具有高选择性，但容易发生油污染、膜压升高以及长期运行后通量下降。最近的系统级改进（如紧凑型模块化分离器、实时监测和混合分离-催化单元）缓解了一些操作效率问题，但尚未从根本上解决材料层面的挑战（如抗污染性、乳化液稳定性和长期耐用性[5]、[6]）。这些技术努力通过减少能源消耗、运营规模和碳排放来支持可持续发展目标。预计到2032年，全球油水分离市场将达到39.2亿美元[7]、[8]。因此，材料创新成为提升油水分离性能的核心策略。现有分离材料可根据主导分离机制分为非结构型和结构型两大类。非结构型材料主要依靠内在表面化学、孔径级相互作用和纳米级传输路径实现分离，典型例子包括碳基材料、二氧化硅、沸石、聚合物膜、海藻酸盐基质、共价有机框架（COFs）、MXenes和金属有机框架（MOFs）[8]、[9]、[10]、[11]。这些材料通常通过非特异性物理吸附机制（如表面吸引和孔填充）起作用，对游离或浮游油有效，但对表面活性剂稳定的乳化液效果较差。此外，以吸附为主的过程往往导致不可逆污染、反复循环后容量迅速下降和能耗较高的再生过程，限制了其长期实用性[12]、[13]、[14]。相比之下，结构型材料强调宏观或层次化结构设计（如三维海绵、气凝胶和纤维框架），以调节流体传输和分离路径，但可能在制造上的简单性和可扩展性方面有所牺牲。在这一背景下，二维（2D）MXenes和MOFs这两种新兴材料家族作为下一代油水分离系统的候选材料受到了广泛关注[15]、[16]。MXenes由过渡金属碳化物和氮化物组成，表面含有O、–OH和F等官能团，具有亲水性、可调的层间距和高机械强度。这些特性使其能够形成层状纳米通道，通过尺寸筛选和水合层介导的油排斥作用实现快速水传输[17]。然而，MXenes在长时间水环境中（尤其是在盐和有机污染物存在下）容易氧化、膨胀和结构降解。相比之下，MOFs具有高度有序的孔结构、大的内表面积和可定制的金属-配体配位环境，可实现分子级选择性和吸附[18]、[19]、[20]。它们的分离机制不仅包括被动过滤，还包括电荷介导的乳化液破乳和催化降解。然而，许多MOFs在盐溶液或酸性介质中存在水解不稳定性、框架崩塌和金属浸出问题，限制了其在实际废水环境中的耐用性。
近期的一些综述涵盖了油水分离技术，包括超润湿三维材料、仿生表面改性、三聚氰胺海绵和传统膜系统[21]、[22]、[23]、[24]。尽管这些研究提供了有用的概述，但它们主要关注复杂的层次结构，通常需要多步骤制备且难以放大。相比之下，基于MXene和MOF的非结构型材料依靠内在的层状或配位驱动结构，作为独立类别的研究较少。本文重点介绍了非结构型MXene和MOF材料在油水分离方面的最新进展，强调了结构-功能关系、主要分离机制、抗污染策略和操作稳定性。通过比较基于MXene和MOF的系统，我们展示了如何通过合理控制层间距、孔结构、表面化学和催化功能来实现高通量、选择性分离和抗污染性，而无需复杂的结构工程。最后，我们讨论了与抗氧化性、框架稳定性、可扩展性和环境安全性相关的剩余挑战，并概述了将这些材料从实验室研究转化为实际工业废水处理的途径。
部分摘录
传统吸附剂和分离技术
高效的油水分离依赖于具有良好控制界面和结构特性的吸附材料，包括表面润湿性、孔径分布、表面电荷和化学功能。这些特性共同决定了材料是优先让水渗透、排斥油滴还是从复杂混合物中选择性吸附烃类[25]、[26]。早期的废水处理系统主要采用基于重力的分离方法。油水分离机制
油水分离本质上很复杂，因为废水中的烃类以多种物理和化学形式存在，包括游离油层、分散的油滴以及表面活性剂稳定的微乳液和纳米乳液[52]。有效的分离不仅需要区分不同相，还需要控制油滴的稳定性、界面化学和纳米级传输行为。
MXenes的设计、合成和结构适用性
MXenes是一类快速发展的二维过渡金属碳化物和氮化物，源自层状MAX相（M???AX?，其中M是早期过渡金属，A是IIIA或IVA族元素，X是碳和/或氮）[76]、[77]。通过使用HF或含氟酸溶液对A层进行选择性蚀刻，可制备出如Ti?C?T?这样的MXenes，它们具有亲水表面并保持层状结构[78]、[79]。剥离后...
设计和合成
金属配位吸附剂（包括MOFs、配位聚合物和混合金属-配体网络）通常通过溶剂热、水热或环境自组装方法合成。在这些过程中，金属离子与多齿有机配体（如羧酸盐、咪唑酸盐或多酚）配位，形成扩展的晶体或半晶体多孔框架[102]。最近的研究越来越注重绿色合成方法，例如使用水基溶剂...
挑战与未来方向
基于MXene和MOF的材料在实验室条件下可实现高油排斥率，水通量范围为103至10? L·m?2·h?1[128]。许多系统还表现出强烈的抗污染性能，在5-20次分离循环后，通量恢复率超过80-98%，尤其是在涉及光催化或水合层机制的情况下[86]、[95]。尽管这些结果令人鼓舞，但将其转化为实用的油水分离技术仍需解决若干问题...
结论
本文探讨了非结构型MXene和MOF材料如何通过表面化学、纳米级路径和界面相互作用增强油水分离效果，避免使用复杂结构。这些材料通过控制层间距、孔结构和润湿性实现高油排斥率和水通量。MXenes具有层状纳米通道和水合层，实现快速水渗透和油分离；而MOFs则提供可调孔径和吸附位点...
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了
海南国际海洋先进光电功能材料联合研究中心开放基金会（2025MAPFM01）的支持。我们感谢葡萄牙科学技术基金会（FCT）通过UID/00100/2025和UID/PRR/100/2025项目对结构化学中心的支持。
