可用于水处理的离子选择性纳米离子通道研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0386

摘要/Abstract

摘要：

选择性离子去除作为一种新兴的水处理方法，已被用于废水中的养分回收、水的软化、从盐水提取关键矿物质以及工业废水的利用等水处理领域。生物离子通道具有高效的单离子选择性，在过去的20 a里，纳米级和亚纳米级离子通道都被成功制备出来以模拟生物离子通道。主要介绍了天然离子通道的概念和理论框架，综述了目前纳米离子通道膜的材料与制备方法，总结了典型水污染离子的纳米离子通道选择性及优缺点和研究方向。单/多价离子之间的离子大小、电荷和亲疏水差异可测量，因此构建单/多价之间的离子选择性通道的基础是通道尺寸、表面电荷和亲疏水性的调节。而单价离子间尺寸差异并不显著，因此，特异性离子结合相互作用被引入到亚1 nm通道中以实现单离子选择性。分析了理想的纳米离子通道如何构建，提出目标离子选择性通常取决于通道的物理和化学性质，包括孔径、通道维度、表面电荷、功能位点和通道壁极性等，通过改变或优化这几种因素，可以提高膜对于目标离子的选择性分离。最后，对未来将膜技术与纳米离子通道结合以实现离子选择性去除进行了展望。

关键词: 纳米级离子通道, 离子选择膜, 膜处理技术, 溶质-溶质分离

Abstract:

Selective ion removal technology becomes an emerging water treatment method for nutrient recovery in wastewater, water softening, extraction of key minerals from brine, and utilization of industrial wastewater. Biological ion channels have efficient single ion selectivity,and both nanoscale and sub-nanoscale ion channels have been successfully prepared to simulate biological ion channels in the past two decades. This paper mainly introduces the conceptual and theoretical framework of natural ion channel, reviews the current materials and preparation methods of nano ion channel membranes, and summarizes the selectivity of nano ion channels for typical water pollution ions as well as their advantages, disadvantages and research directions. The difference of ion size, charge and hydrophilicity between univalent and multivalent ions can be measured, so the basis for constructing ion selective channels is the adjustment of channel size, surface charge and hydrophilicity. Whereas the size difference between univalent ions is not significant, specific ion binding interactions are introduced into sub 1 nm channels to achieve single ion selectivity. This paper analyzes how to construct an ideal nano ion channel, and proposes that the selectivity of target ions usually depends on the physical and chemical properties of the channel, including pore size, channel dimension, surface charge, functional sites and channel wall polarity. By changing or optimizing these factors, the selective separation of target ions by membrane can be improved. Finally, the prospect of combining membrane technology with nano ion channel for ion selective removal is presented.

Key words: nanoscale ion channels, ion selective membrane, membrane treatment technology, solute-solute separation

中图分类号:

TQ028.8
X703

李涵菲, 田秉晖. 可用于水处理的离子选择性纳米离子通道研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 24-31.

Hanfei LI, Binghui TIAN. Research progress in ion selective nano-ions channels for water treatment[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(5): 24-31.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I5/24

图/表 4

图1 天然K⁺传输通道

Fig.1 Natural K⁺ transmission channel

图2 纳米离子通道的制备方法

Fig.2 Preparation methods of nano ion channels

表1 常见离子的半径、水合半径以及吉布斯自由能

Table 1 Radius，hydration radius and Gibbs free energy of common ions

离子	半径/nm	水合半径/nm	吉布斯自由能/（kJ·mol^-1）
Mg²⁺	0.11	0.85	1 838
SO₄ ^2-	0.53	0.76	1 138
Na⁺	0.18	0.72	375
Cl^-	0.36	0.66	347
F^-	0.27	0.71	472

图3 理想纳米离子通道模型 d—膜孔直径；θ—膜厚度；棕色直线—正电基团。

Fig.3 Ideal nano ion channel model

参考文献 46

1	SHANNON M A， BOHN P W， ELIMELECH M，et al. Science and technology for water purification in the coming decades［J］. Nature，2008，452（7185）：301-310. doi:10.1038/nature06599
2	SUBRAMANI A， JACANGELO J G. Emerging desalination technologies for water treatment：A critical review［J］. Water Research，2015，75：164-187. doi:10.1016/j.watres.2015.02.032
3	RAZMJOU A， ESHAGHI G， OROOJI Y，et al. Lithium ion-selective membrane with 2D subnanometer channels［J］. Water Research，2019，159：313-323. doi:10.1016/j.watres.2019.05.018
4	WANG Ruoyu， ZHANG Junwei， TANG C Y，et al. Understanding selectivity in solute-solute separation：Definitions，measurements，and comparability［J］. Environmental Science & Technology，2022，56（4）：2605-2616. doi:10.1021/acs.est.1c06176
5	WARSINGER D M， CHAKRABORTY S， TOW E W，et al. A review of polymeric membranes and processes for potable water reuse［J］. Progress in Polymer Science，2018，81：209-237. doi:10.1016/j.progpolymsci.2018.01.004
6	STRATHMANN H. Electrodialysis，a mature technology with a multitude of new applications［J］. Desalination，2010，264（3）：268-288. doi:10.1016/j.desal.2010.04.069
7	罗胜，朱铭，田秉晖，等. 电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素［J］. 工业水处理，2022，42（12）：1-9. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1159
	LUO Sheng， ZHU Ming， TIAN Binghui，et al. Research progress and the main influencing factors of fluoride removal by electrodialysis water treatment［J］. Industrial Water Treatment，2022，42（12）：1-9. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1159
8	李福勤，朱敏，张引弓，等. 单价选择性电渗析对高盐废水一/二价阴离子的分离［J］. 工业水处理，2021，41（9）：56-59. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1176
	LI Fuqin， ZHU Min， ZHANG Yingong，et al. Separation of monovalent/divalent anions in high-salt wastewater by monovalent selective electrodialysis［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（9）：56-59. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1176
9	ZHANG Huacheng， TIAN Ye， JIANG Lei. Fundamental studies and practical applications of bio-inspired smart solid-state nanopores and nanochannels［J］. Nano Today，2016，11（1）：61-81. doi:10.1016/j.nantod.2015.11.001
10	HOU Xu， ZHANG Huacheng， JIANG Lei. Building bio-inspired artificial functional nanochannels：From symmetric to asymmetric modification［J］. Angewandte Chemie International Edition，2012，51（22）：5296-5307. doi:10.1002/anie.201104904
11	DOYLE D A， MORAIS CABRAL J， PFUETZNER R A，et al. The structure of the potassium channel：Molecular basis of K⁺ conduction and selectivity［J］. Science，1998，280（5360）：69-77. doi:10.1126/science.280.5360.69
12	STOCKBRIDGE R B， KOLMAKOVA-PARTENSKY L， SHANE T，et al. Crystal structures of a double-barrelled fluoride ion channel［J］. Nature，2015，525（7570）：548-551. doi:10.1038/nature14981
13	DURAN C， THOMPSON C H， XIAO Qinghuan，et al. Chloride channels：Often enigmatic，rarely predictable［J］. Annual Review of Physiology，2010，72：95-121. doi:10.1146/annurev-physiol-021909-135811
14	KANG Q， GUO W. Biomimetic smart nanopores and nanochannels［M］//AZZARONI O. Chemically Modified Nanopores and Nanochannels. Amsterdam：Elsevier，2017：85-102. doi:10.1016/b978-0-323-40182-1.00004-x
15	ZHANG Huacheng， LI Xingya， HOU Jue，et al. Angstrom-scale ion channels towards single-ion selectivity［J］. Chemical Society Reviews，2022，51（6）：2224-2254. doi:10.1039/d1cs00582k
16	ROY E， NAGAR A， CHAUDHARY S，et al. Advanced properties and applications of AIEgens-inspired smart materials［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research，2020，59（23）：10721-10736. doi:10.1021/acs.iecr.0c01869
17	CONG Hailin， XU Xiaodan， YU Bing，et al. A smart temperature and magnetic-responsive gating carbon nanotube membrane for ion and protein transportation［J］. Scientific Reports，2016，6：32130. doi:10.1038/srep32130
18	JI Jinzhao， KANG Qian， ZHOU Yi，et al. Osmotic power generation with positively and negatively charged 2D nanofluidic membrane pairs［J］. Advanced Functional Materials，2017，27（2）：1603623. doi:10.1002/adfm.201603623
19	WANG Zhuqing， WU Aiguo， COLOMBI CIACCHI L，et al. Recent advances in nanoporous membranes for water purification［J］. Nanomaterials，2018，8（2）：65. doi:10.3390/nano8020065
20	BARRY E， MCBRIDE S P， JAEGER H M，et al. Ion transport controlled by nanoparticle-functionalized membranes［J］. Nature Communications，2014，5：5847. doi:10.1038/ncomms6847
21	LI Ruirui， JIANG Jiaqiao， LIU Qingqing，et al. Hybrid nanochannel membrane based on polymer/MOF for high-performance salinity gradient power generation［J］. Nano Energy，2018，53：643-649. doi:10.1016/j.nanoen.2018.09.015
22	ZHANG Wenbin， ZHU Yuzhang， LIU Xia，et al. Salt-induced fabrication of superhydrophilic and underwater superoleophobic PAA-g-PVDF membranes for effective separation of oil-in-water emulsions［J］. Angewandte Chemie International Edition，2014，53（3）：856-860. doi:10.1002/anie.201308183
23	TRAUTMANN C， BOUFFARD S， SPOHR R. Etching threshold for ion tracks in polyimide［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B：Beam Interactions With Materials and Atoms，1996，116（1/2/3/4）：429-433. doi:10.1016/0168-583x(96)00083-3
24	WU Shuhang， CHENG Yaxiong， MA Jie，et al. Preparation and ion separation properties of sub-nanoporous PES membrane with high chemical resistance［J］. Journal of Membrane Science，2021，635：119467. doi:10.1016/j.memsci.2021.119467
25	HE Yuhui， TSUTSUI M， ZHOU Yue，et al. Solid-state nanopore systems：From materials to applications［J］. NPG Asia Materials，2021，13：48. doi:10.1038/s41427-021-00313-z
26	KWOK H， BRIGGS K， TABARD-COSSA V. Nanopore fabrication by controlled dielectric breakdown［J］. PLoS One，2014，9（3）：e92880. doi:10.1371/journal.pone.0092880
27	WU Shanshan， PARK S R， LING X S. Lithography-free formation of nanopores in plastic membranes using laser heating［J］. Nano Letters，2006，6（11）：2571-2576. doi:10.1021/nl0619498
28	KUAN A T， LU Bo， XIE Ping，et al. Electrical pulse fabrication of graphene nanopores in electrolyte solution［J］. Applied Physics Letters，2015，106（20）：203109. doi:10.1063/1.4921620
29	ZHAO Yan， WU Mengyao， GUO Yi，et al. Metal-organic framework based membranes for selective separation of target ions［J］. Journal of Membrane Science，2021，634：119407. doi:10.1016/j.memsci.2021.119407
30	XIANG Zhonghua， CAO Dapeng， LAN Jianhui，et al. Multiscale simulation and modelling of adsorptive processes for energy gas storage and carbon dioxide capture in porous coordination frameworks［J］. Energy & Environmental Science，2010，3（10）：1469-1487. doi:10.1039/c0ee00049c
31	WANG Chenghong， LIU Xinlei， DEMIR N K，et al. Applications of water stable metal-organic frameworks［J］. Chemical Society Reviews，2016，45（18）：5107-5134. doi:10.1039/c6cs00362a
32	LI Xingya， ZHANG Huacheng， WANG Peiyao，et al. Fast and selective fluoride ion conduction in sub-1-nanometer metal-organic framework channels［J］. Nature Communications，2019，10：2490. doi:10.1038/s41467-019-10420-9
33	VASELBEHAGH M， KARKHANECHI H， TAKAGI R，et al. Surface modification of an anion exchange membrane to improve the selectivity for monovalent anions in electrodialysis-experimental verification of theoretical predictions［J］. Journal of Membrane Science，2015，490：301-310. doi:10.1016/j.memsci.2015.04.014
34	DUCHANOIS R M， EPSZTEIN R， TRIVEDI J A，et al. Controlling pore structure of polyelectrolyte multilayer nanofiltration membranes by tuning polyelectrolyte-salt interactions［J］. Journal of Membrane Science，2019，581：413-420. doi:10.1016/j.memsci.2019.03.077
35	GOLUBENKO D V， MANIN A D， WANG Y，et al. The way to increase the monovalent ion selectivity of FujiFilm^® anion-exchange membranes by cerium phosphate modification for electrodialysis desalination［J］. Desalination，2022，531：115719. doi:10.1016/j.desal.2022.115719
36	ZUO Peipei， XU Ziang， ZHU Qing，et al. Ion exchange membranes：Constructing and tuning ion transport channels［J］. Advanced Functional Materials，2022，32（52）：2207366. doi:10.1002/adfm.202207366
37	WEN Qi， YAN Dongxiao， LIU Feng，et al. Highly selective ionic transport through subnanometer pores in polymer films［J］. Advanced Functional Materials，2016，26（32）：5796-5803. doi:10.1002/adfm.201601689
38	HAN Le， GALIER S， ROUX-DE BALMANN H. Ion hydration number and electro-osmosis during electrodialysis of mixed salt solution［J］. Desalination，2015，373：38-46. doi:10.1016/j.desal.2015.06.023
39	LIAO Junbin， YU Xinyan， CHEN Quan，et al. Monovalent anion selective anion-exchange membranes with imidazolium salt-terminated side-chains：Investigating the effect of hydrophobic alkyl spacer length［J］. Journal of Membrane Science，2020，599：117818. doi:10.1016/j.memsci.2020.117818
40	MOHAPATRA M， ANAND S， MISHRA B K，et al. Review of fluoride removal from drinking water［J］. Journal of Environmental Management，2009，91（1）：67-77. doi:10.1016/j.jenvman.2009.08.015
41	STENINA I A， YAROSLAVTSEV A B. Ionic mobility in ion-exchange membranes［J］. Membranes，2021，11（3）：198. doi:10.3390/membranes11030198
42	STOCKBRIDGE R B， ROBERTSON J L， KOLMAKOVA-PARTENSKY L，et al. A family of fluoride-specific ion channels with dual-topology architecture［J］. eLife，2013，2：e01084. doi:10.7554/elife.01084
43	ZHOU Xuechen， HEIRANIAN M， YANG Meiqi，et al. Selective fluoride transport in subnanometer TiO₂ pores［J］. ACS Nano，2021，15（10）：16828-16838. doi:10.1021/acsnano.1c07210
44	MEI Ying， TANG C Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology：A review［J］. Desalination，2018，425：156-174. doi:10.1016/j.desal.2017.10.021
45	KIM D K， DUAN Chuanhua， CHEN Yufeng，et al. Power generation from concentration gradient by reverse electrodialysis in ion-selective nanochannels［J］. Microfluidics and Nanofluidics，2010，9（6）：1215-1224. doi:10.1007/s10404-010-0641-0
46	CLAUS H N. Comments on Ion Selectivity at the Crossroad between Biology and Biomimetics［J］. Advanced Materials Technologies，2021，6（10）. DOI：10.1002/admt.202001177 .

[1]	端倩倩, 陈静怡, 刘俊生, 张俊飞, 林世涛, 刘裕. Ti基改性生物炭的制备及其吸附Pb（Ⅱ）和Co（Ⅱ）的性能研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 193-200.
[2]	许超, 许士洪, 李隽, 黄满红. 脉冲流辅助膜蒸馏缓解硫酸钙结垢研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(5): 95-100.
[3]	杨洋, 马迁, 李增辉, 袁旭冬, 魏平方, 戴捷. N-Mn-TiO₂/AC粒子电极的制备及其降解性能研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(11): 114-119.
[4]	韩家凯, 嵇华忠, 刘大朋, 洪耀良. 原位修饰DAT提升哌嗪基聚酰胺纳滤膜耐氯性能研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(6): 67-73.
[5]	刘冰冰,季常青. 锌冶炼污酸废水循环利用技术研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(12): 179-182.
[6]	李士伟, 刘恩华, 杨利娟, 胡苏皓. 高盐与高压对PVDF/PA管式复合膜分离性能的影响[J]. 工业水处理, 2022, 42(8): 128-135.
[7]	樊华, 王一雯, 姜钦亮, 范敏, 桂双林, 韩飞. 高性能疏松纳滤膜的制备研究进展[J]. 工业水处理, 2022, 42(5): 1-10.
[8]	王鹏,肖凯升,王震,陈文清. PTFE复合膜生物反应器处理实际化工废水[J]. 工业水处理, 2021, 41(11): 56-60.
[9]	喻舰,胡绅,张须媚,谢康俊,宋海欧,张树鹏. 提升电容去离子效能的电极材料功能化策略[J]. 工业水处理, 2021, 41(11): 32-39.
[10]	韩非,王康,汪凯,张翠玲. 温度极化对膜蒸馏性能的影响研究进展[J]. 工业水处理, 2021, 41(9): 31-36.
[11]	安帅,李海松. NaHSO₃强化Fe²⁺/过硫酸盐体系处理铬黑T废水的优化[J]. 工业水处理, 2021, 41(7): 112-116.
[12]	费学宁,张旭阳,王乐,焦秀梅,池勇志,李伟刚. 温度对污泥膨胀的贡献关系及丝状菌演替规律[J]. 工业水处理, 2021, 41(6): 192-196.
[13]	张林彬,吴逸,沈舒苏,郭永福,盛铭军,白仁碧. 聚偏氟乙烯/聚离子液体共混膜的优化制备[J]. 工业水处理, 2021, 41(3): 31-34.
[14]	刘兴. 脱氨膜处理高氨氮农药废水的中试研究[J]. 工业水处理, 2020, 40(11): 95-97.
[15]	李海洋,程国玲. 电絮凝-膜分离反应器去除水中腐殖酸[J]. 工业水处理, 2020, 40(11): 32-35.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容