《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulating Interlayer Transport in MXene-MOF Hybrid Membranes for Oil-Water Separation
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Ibrahim Ali Jaber|Ismail Abdulazeez|Billel Salhi|Saheed A. Ganiyu|Khalid Alhooshani
沙特阿拉伯达兰，法赫德国王石油与矿产资源大学化学系，邮编31261
摘要
基于MXene的膜因具有高亲水性
Ibrahim Ali Jaber|Ismail Abdulazeez|Billel Salhi|Saheed A. Ganiyu|Khalid Alhooshani
沙特阿拉伯达兰，法赫德国王石油与矿产资源大学化学系，邮编31261
摘要
基于MXene的膜因具有高亲水性和通过层状纳米通道的快速水传输能力，在油水分离领域受到越来越多的关注。然而，其长期应用经常受到层间堆叠、水合传输路径不稳定以及污染引起的堵塞的影响，尤其是在处理复杂的油水乳液时。尽管加入刚性纳米材料已被证明可以提高MXene膜的性能，但实现稳定的水合传输路径和长期耐用性仍然具有挑战性。在这项研究中，我们报道了一种通过插入金属-有机框架来稳定的MXene-MOF混合膜的设计，其中MOFs作为纳米间隔层，保持水合传输路径并抑制结构塌陷。两种具有不同结构的金属-有机框架——基于簇的MOF-808和基于笼形的MIL-101(Cr)——被引入到羟基化的Ti?C?T? MXene膜中，并进行了直接比较。优化的MXene-MOF-808（70:30）混合膜含有30%的MOF-808，在2巴的压力下表现出超高的水渗透率（>12,000 L m?2 h?1），同时在重复的油水乳液分离过程中油截留率保持在99.9%以上。与MIL-101(Cr)基膜不同，MXene/MOF-808混合膜在25次过滤循环后仍能保持稳定的性能，并且在简单的物理清洗后几乎完全恢复通量。该膜还能截留高达90%的植物油和95%的原油乳液，表明其具有实际的耐用性。这项研究展示了MOF拓扑结构在调节MXene层间传输和传输阻力演变中的作用，为设计基于MXene的油水分离膜提供了见解。
引言
石油精炼、石化加工和石油勘探活动产生的含油废水排放一直是一个持续的环境问题[1]，[2]。在许多工业废水中，油以稳定的乳液形式存在，其中细小液滴通过表面活性剂、天然有机物或机械搅拌得到稳定，使得传统的基于重力的分离方法无效[3]，[4]，[5]。这类乳液的释放对环境和健康构成了严重风险，因此迫切需要开发高效和可持续的油水分离技术[6]，[7]。基于膜的分离方法因其高分离效率、低能耗和操作简便性而成为一种有吸引力的方法[8]，[9]，[10]。然而，膜在乳液分离过程中的性能常常受到污染、孔堵塞和长时间运行时通量迅速下降的影响[11]，[12]。特别是在处理含有小油滴和复杂有机污染物的乳液时，污染的积累会导致性能不可逆的下降和频繁清洁的需求[13]。因此，在实际操作条件下提高膜的耐用性仍然是一个活跃的研究领域。
近年来，几种新兴的膜材料如MXenes[14]，[15]，[16]，TMDs[17]，[18]，[19]，MOFs[20]，[21]，[22]，LDHs[23]，[24]，[25]以及GO/rGO[26]，[27]，[28]在油水分离领域引起了广泛关注。特别是MXenes，由于其层状结构提供了明确定义的纳米通道，使得水传输迅速，而丰富的表面官能团（–O，–OH，–F）赋予了其内在的亲水性和水下的疏油性[29]。基于MXene的膜已经显示出出色的分离性能，通常能够实现对多种乳液（包括柴油和原油）超过99%的油截留率[30]。尽管这些材料具有潜在的优势，但MXene膜在多次过滤循环中常常会遇到层间堆叠、水合传输路径不稳定和污染引起的堵塞问题[31]。这些限制显著影响了它们的长期稳定性和在实际应用中的可行性。
为了解决这些问题，人们探索了多种策略来稳定MXene层片并减轻污染。例如，通过表面功能化增强润湿性和水下疏油性[32]，[33]，[34]，加入聚合物粘合剂或交联剂以抑制MXene的堆叠[35]，[36]，以及使用次要纳米材料构建基于MXene的复合膜来调节层间间距并提高传输稳定性[37]，[38]。虽然这些策略提高了渗透率和油截留率，但在重复的乳液分离循环中保持稳定的水合传输路径和耐久性能仍然具有挑战性，尤其是在处理含有复杂污染物和内部孔堵塞的情况下。
金属-有机框架（MOFs）为MXene膜的设计提供了吸引人的特性，包括可调的框架结构、高亲水性以及与水环境的兼容性[39]，[40]。多项研究报道了MXene-MOF复合膜在分离应用中的性能提升[41]，[42]，[43]，[44]。然而，所报道膜中缺乏系统的结构-稳定性相关性，这限制了人们对MOF框架如何影响MXene层间稳定性和长期分离耐用性的理解。因此，在本研究中，我们报道了一种通过水合稳定的MXene-MOF混合膜的合理设计，其中MOFs作为纳米间隔层，稳定水合传输路径并抑制结构塌陷。选择了两种代表性的MOFs——基于锆的MOF-808和基于铬的MIL-101(Cr)，来探讨MOF的结构特征如何影响MXene膜的稳定性和性能。结果显示，紧凑的MOF-808框架比开放孔结构的MIL-101(Cr)更能有效稳定MXene层间距离，从而提高了抗污染性和长期运行稳定性。优化的MXene-MOF-808膜（70:30）在柴油水乳液分离中实现了超过12,000 L m?2 h?1的渗透率，同时油截留率保持在99.9%以上，并对植物油和原油乳液具有高截留效率，证明了其在实际油水分离条件下的耐用性能。这项研究展示了MXene-MOF混合膜的合理设计，能够在实际条件下实现高效的油水分离。
章节摘录
化学试剂
本研究中使用的所有试剂和化学物质均为标准分析级，无需进一步纯化。碳化钛MXene（Ti?C?T?）购自XFNANO Materials Tech. Co.（中国），聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚维吡咯酮（PVP，平均分子量约40,000 g mol?1）按原样使用。三氯化铬（Cr(NO?)?·9H?O）、对苯二甲酸、乙酸钠、四氯化锆（ZrCl?）和三聚酸也按原样使用。
材料表征
首先使用X射线衍射（XRD）检查了MXene、羟基化MXene（MXene–OH）、MIL-101(Cr)和MOF-808的结构完整性和相纯度，同时使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱评估了它们的化学功能（图1）。如图1a所示，原始MXene展示了与层状Ti?C?T?相关的特征衍射峰，包括明显的低角（002）反射，对应于层间间距。
结论
本研究探讨了金属-有机框架（MOF）拓扑结构对基于MXene的混合膜在油水分离中的层间传输的影响。通过将两种具有不同结构特征的MOFs（MOF-808和MIL-101(Cr)）整合到羟基化的Ti?C?T? MXene膜中，系统地评估了传输稳定性和抗污染性能的差异。
作者贡献声明
Khalid Alhooshani：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供、概念化。Ibrahim Ali Jaber：撰写——初稿撰写、调查。Ismail Abdulazeez：撰写——审稿与编辑、方法论设计、概念化。Billel Salhi：撰写——审稿与编辑、数据整理。Saheed A. Ganiyu：撰写——审稿与编辑、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢KFUPM研究院长办公室（DR）通过项目编号SL251001提供资金支持，以及跨学科膜与水安全研究中心（IRC-MWS）和KFUPM化学系为项目完成提供的帮助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
