《Separation and Purification Technology》：Multifunctional membranes modified by nanomaterials for oil-water separation and high antibacterial performance: a review
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油水分离膜材料分类及多功能化策略研究，分析金属基、聚合物基、生物质基、无机基膜特性，探讨纳米材料改性、自修复、自清洁技术，以及膜耦合高级氧化、海水淡化等系统，提出技术挑战与解决方案。
李凌莉|张欣宇|吴琪|刘杰|詹颖晴
西南石油大学化学与化学工程学院，中国四川省成都市610500
摘要
石油行业的快速增长导致了含油废水的排放量增加，这已成为一个全球性的重大挑战。在过去的几十年中，大量研究致力于开发各种用于油水分离的材料和技术。膜材料因其适应性、耐腐蚀性、高通量和多功能性而成为关键的研究领域。由于含油废水的复杂性，传统的单一功能膜往往无法满足需求。本研究重点关注膜材料，对其类型进行了分类，并讨论了提高油水分离效率的策略。此外，还探讨了扩展应用范围和实现多功能性的机制和方法，旨在推动油水分离技术的创新。本文还预测了油水分离膜技术的未来发展方向，为相关领域的研究人员提供了有价值的参考和见解。本研究旨在为油水分离技术的发展提供洞见，并为环境可持续性做出贡献。
引言
石油是一种在全球范围内具有重要意义的资源，广泛应用于能源、工业和化学领域。然而，频繁的管道泄漏、海上事故和含油废水的排放加剧了水污染问题。这些问题破坏了生态系统，降低了生物多样性，并加剧了水资源安全挑战，尤其是在欠发达地区[1]，[2]。为了应对日益严格的环境法规和对含油废水处理的迫切需求，开发高效的油水分离技术变得至关重要。
传统的处理方法（如吸附、浮选和化学絮凝）存在效率低、成本高和稳定性差的问题，因此人们对基于膜的分离技术越来越感兴趣。由于膜分离技术具有高分离效率、选择性、能源效率和环境友好性以及成本效益，它已成为油水分离研究的核心焦点[3]。这类系统的性能在很大程度上取决于膜材料的选择，其中金属基、聚合物基、生物质基和无机基膜是研究最广泛的类型[4]。然而，含油废水中微生物、有机化合物和蛋白质的共存常常导致膜污染和孔隙堵塞，从而降低分离效率并缩短膜的使用寿命[5]，[6]。
最近在油水分离方面的进展已经超越了传统的处理方法，转向通过整合纳米材料、响应性材料和先进的改性策略来开发多功能膜[7]，[8]，[9]。这些膜不仅提高了分离效率，还具有去除染料、降解有机污染物和消除抗生素等附加功能[10]，从而扩大了其应用范围。它们特别适用于处理含有乳化油、表面活性剂和重金属的复杂废水系统，以及市政含油废水。通过结合去除重金属、降解污染物和抗生物污染的能力[11]，这些膜能够在有效分离油水的同时去除有害成分。此外，为了减少实际操作中的微生物污染，人们广泛探索了添加纳米金属颗粒等抗菌策略[12]。
现有的综述主要关注制备方法或单一功能性能，缺乏对多功能集成（如去除重金属、降解有机物和抗菌性能）和基底应用兼容性的系统分析[13]，[14]。本文通过以下方式填补了这些空白：(1)根据适应性标准对四种膜基底类型进行分类；(2)分析针对复杂含油废水的多功能改性策略；(3)评估自修复、自清洁和响应刺激的技术；(4)评估膜与高级氧化、脱盐和能量生成系统的耦合。
本文系统评估了四种用于含油废水处理的膜基底类型，包括金属基、聚合物基、生物质基和无机基膜，并比较分析了它们的优点、局限性及适用的应用场景。根据废水的物理化学性质，可以选择合适的膜材料；金属基和生物质基膜在处理高粘度油和富含脂肪的废水方面表现出更好的性能，而聚合物基和无机基膜由于具有高分离精度和化学稳定性，在分离乳化油方面更有效。最近的研究越来越多地关注多功能改性策略，如表面功能化、电纺和纳米材料掺杂，以增强膜结构和表面化学性质，同时保持高油水分离效率。最后，本文还讨论了油水分离膜技术当前面临的挑战和未来的研究方向。
为了识别膜分离领域的研究热点、发展趋势和新兴研究方向，使用CiteSpace 6.4.R1软件对Web of Science Core Collection中与油水分离膜相关的文献进行了关键词检测和可视化分析（图1）。如图1a所示，过去十年间油水分离膜领域的研究增长显著。年度发表论文数量从2015年的约100篇稳步增加到2025年的560多篇，增长了5倍以上，累计发表论文数量从150篇激增至近3500篇，增长了约23倍。这一增长轨迹表明，油水分离膜技术已从基础研究阶段逐步过渡到成熟的应用开发阶段，反映了该领域研究活动的持续增强和技术成熟度的不断提高。
图1b展示了使用CiteSpace 6.4.R1获得的关键词聚类结果，揭示了几个主要的油水分离研究主题，包括基于膜的分离材料（簇#0陶瓷膜和簇#3Janus膜）、表面工程基底（簇#1涂层网状材料）、用于提高分离性能的先进纳米材料（簇#2氧化石墨烯和簇#6金属-有机框架），以及面向环境修复的应用过程（簇#4水净化和簇#5油水乳液分离）。
从时间演变的角度来看，该领域的研究重点经历了明显的阶段转变。早期研究（约2015-2017年）主要集中在GO和双氢氧化物层等基础材料以及机械稳定性和耐腐蚀性等核心性能上。在中间阶段（约2018-2020年），研究重点转向了功能化和表面调控，同时对可切换润湿性和超疏水性产生了兴趣。近年来（2021-2025年），该领域进一步发展到高效分离和环境应用方向，特别是使用了金属-有机框架（MOFs）等新兴多孔材料，并越来越关注油水乳液分离和水净化等复杂系统。这一趋势反映了从基础材料探索向面向环境修复的应用技术的明显转变。
基底分类与性能比较
在油水分离膜的设计中，基底的选择至关重要，它直接影响膜的渗透性、选择性和机械强度。根据膜基底材料的结构和性质及相关文献研究，油水分离膜基底可以分为四类：金属基膜、聚合物基膜、生物质基膜和无机基膜，每种基底都具有独特的适用性能。
多功能膜的功能修饰与性能优化
由于实际含油废水的复杂性（乳化状态、高盐度/温度、共存污染物），膜的分离效率和稳定性受到严重影响，膜污染严重缩短了膜的使用寿命并限制了其实际应用。因此，必须对膜进行功能修饰，以去除重金属/有机污染物并抵抗生物污染，从而提高分离效率和稳定性。
在含油废水处理中，提高油水分离效果
膜技术的创新发展方向
膜污染和单一功能性能的限制仍然是制约油水分离膜实际应用的关键挑战。为了解决这些问题，人们开发了自修复、自清洁和多过程耦合等新兴策略。自修复功能可以在膜受损后恢复其完整性；自清洁功能可以减轻污染并恢复通量；多过程耦合则将膜的功能扩展到集成系统中。这些技术共同
未来展望
膜技术在含油废水处理中发挥着重要作用，因其具有高分离效率和环保优势。作为这项技术的核心，油水分离膜的演变和性能优化受到了大量研究关注。膜材料在油水分离应用中起着不可替代的作用。然而，当前技术仍面临膜污染和功能有限等关键挑战。
CRediT作者贡献声明
李凌莉：概念构思、方法设计、监督、撰写与审稿。张欣宇：数据收集、撰写初稿。吴琪：数据管理、研究工作、监督。刘杰：数据分析、验证。詹颖晴：项目管理。
致谢
本工作得到了四川省自然科学基金（资助编号[2026NSFSC0254]和[2023NSFSC0352]的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
