https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.003

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文章导读

伴随工业化浪潮的持续推进，水中的新型微污染物例如激素药物、农药、染料、抗生素、微塑料、持久性有机污染物等对生态系统和人体健康产生长期、隐蔽的负面影响。因此，需要发展高效去除现有水中的新污染物的新材料与新技术，以减少或消除现有水体中的微污染物的残留量。膜技术已逐渐成为当代解决人类面临的环境、资源、能源等领域重大问题的共性技术之一。水中的有机污染物可以通过膜技术进行有效去除。近年来，二维材料，例如石墨烯（Graphene）/氧化石墨烯（GO）、过渡金属硫化物（TMDs）、二维金属有机框架（MOF）、过渡金属碳氮化物（Mxene）、层状双金属氢氧化物（LDHs）等，因具有独特的理化性能和纳米结构，在分离膜领域中展现出了良好的发展前景，特别是LDHs材料凭借比表面积大、层间距可调、层板带正电荷以及亲水性强等优异特性，在制备新一代高性能水处理膜方面展现出巨大的应用潜力。

近期，四川大学化工学院刘壮以及山东理工大学化学化工学院赵金平副教授等在Green Chemical Engineering（GreenChE）上发表了题为“Layered double hydroxide separation membranes: advances and prospects in water purification applications”的综述文章，总结了其课题组及近年来LDH在膜分离领域中的研究工作，对目前LDH分离膜在水处理领域中的分离机理以及现有的应用研究进行了全面总结。

综述亮点

● 详细论述了LDH的结构特征及其在膜分离领域的应用前景。

● 深入阐明了LDH分离膜中多种分离机制的协同作用。

● 重点强调了LDH超亲水特性在分离过程中的核心价值。

● 强调了LDH的正电荷以及可调控离子在分离中的重要作用。

● 全面探讨了LDH分离膜当前面临的学术挑战及未来发展趋势。

内容概述

本文详细阐述了LDH分离膜在实现高效水净化领域应用中的三种重要机理，即尺寸筛分，静电相互作用和溶解-扩散机理，系统探讨了其设计思路与合成策略，并全面总结了其在油水分离、染料分离、药物分子分离以及海水淡化领域中的应用进展（如图1所示）。

图1. 基于层状双金属氢氧化物（LDHs）的水处理分离膜示意图。

1. LDH分离膜的结构、分类及分离机制 

LDHs是具有二维纳米结构的无机材料，通式为[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，金属离子和层间阴离子的选择决定其性能。LDHs通常可分为二元和多元类型，二元LDHs（如Mg-Al、Co-Al、Zn-Al）具有灵活金属组合，可适用于油污废水和海水淡化；多元LDHs（如Ni-Al-Fe）可实现多功能定制，提升吸附和分离能力。层间阴离子分为无机离子（如CO₃^2-, NO₃^-）和有机离子（如丁酸根、柠檬酸根），有机阴离子可显著扩展层间距，提高渗透通量。

LDH膜的分离机制包含尺寸筛分、电荷排斥和溶解-扩散机理。尺寸筛分基于可调节的层间纳米通道；电荷排斥利用膜表面正电荷排斥带相同电荷污染物；溶解-扩散机制体现为膜表面亲水基团形成水合屏障，增强水分子通透和油水分离效率。

图2. LDH膜分离机理示意图：(a) 尺寸筛分机理，(b) 静电相互作用机理，(c) 溶解-扩散机理。

2. LDH分离膜的合成方法

LDH基复合膜的制备方法主要包括原位水热生长法、相转化法、共价浸渍涂层法、真空过滤法及表面改性法等。本文对这些方法的优缺点进行了详细比较，比如水热法产品结晶性好，但其反应时间长，真空过滤法灵活调控膜厚，但其耐压性待改进。共价浸渍涂层法适用于多种基材，功能化定制能力强；表面修饰法可实现高选择性分离，但其操作较复杂。

图3. 常见的LDH膜制备方法示意图：(a) 热液生长法，(b) 相转化法，(c) 共价浸渍涂层法，(d) 真空过滤法，(e) 表面改性方法。

3. LDH膜的应用

3.1 LDH分离膜在油水分离中的应用 

(1) “除水型”LDH分离膜

LDH具有独特的交替“层板-层间限域”结构，且表面富含羟基等亲水官能团。这两大特征协同作用，为水分子的快速渗透提供了畅通的传质通道与强劲的驱动力。此外，带正电荷的LDH能通过静电作用促进油水乳液“破乳”，将难以处理的乳浊液转化为易于分离的油水混合物，大幅提升分离效率。同时，其表面的亲水官能团会快速捕获水分子，在膜表面构建出一层天然的“水合屏障”，实现“透水阻油”。两大机制的协同作用赋予了LDH在开发“除水型”油水分离膜方面独特的优势。

(2) “除油型”LDH分离膜

得益于表面极易被功能化修饰的特性，LDH基材料不仅能制备成亲水膜，还能转变为亲油膜。相较于传统的“除水型”分离膜，这种全新的“除油型”LDH分离膜打破了原有的应用局限，为高性能油水分离膜的开发提供了更灵活的思路。

图4. LDH分离膜隔绝油相允许水相渗透。

(3) 智能可切换油水分离膜

传统的单一润湿性膜材料（如单纯的透水膜或透油膜），在面对成分复杂的含油废水时往往效果较差，极大限制了其实际应用。相比之下，具备“可切换润湿性”的新型分离膜能够根据不同油水体系实现“按需分离”，展现出“一膜多用”与低损耗的显著优势。通过在LDH表面接枝刺激响应型分子，即可成功构建这类智能化的LDH分离膜，轻松应对各类复杂油水混合物的分离挑战。

图5. 分离膜实现油水两相智能响应分离示意图。

3.2. LDH分离膜在含染料污水分离中的应用

与其他二维纳米材料相比，LDH不仅表面带有正电荷，且具有高度可调的层间通道。此外，LDH在底膜表面的原位生长，能够进一步实现对复合膜孔径的精准调控。值得一提的是，LDH的负载极大地改善了复合膜的亲水性，这对于缓解膜在长期分离过程中的污染问题至关重要。凭借这些独特的结构与性能优势，经合理设计的LDH复合膜在含染料废水的高效净化与处理中展现出极为广阔的应用前景。

图6. LDH分离膜实现染料分离示意图。

3.3. LDH分离膜在药物分子分离以及海水脱盐领域中的应用

近年来，药物分子已成为一类不容忽视的新型环境污染物，高效且低成本的去除技术亟待突破。在众多方案中，将LDH作为活性填料掺杂进聚合物基膜，是处理含药废水的常用且高效的策略。最新研究表明，若在LDH层间引入具有较低氧化还原电位的过渡金属（如Fe或Ni）进行改性，可显著增强材料内部的电子转移效应。这一策略不仅提升了复合膜对药物分子的吸附与分离性能，更能直接促进污染物的催化降解，实现 “分离+降解”的双效合一。

在构建高性能脱盐膜时，LDH纳米片除了直接作为层间距可调的筛分层外，还被广泛用作多功能纳米填料或结构模板。这一策略精准利用了 LDH表面带正电荷及刚性二维结构的独特性质，有效破解了复合膜长期面临的关键瓶颈：如渗透性与选择性相互制约的“Trade-off 效应”、膜结构失稳以及功能组分流失等难题。

总结与展望

综上所述，2D无机纳米材料LDH凭借其优异的物化特性，在分离膜领域潜力巨大。本文全面总结了LDH在含油废水、染料、药物分子及脱盐分离四大场景的应用进展，并深入探讨了尺寸筛分、静电作用与溶解-扩散三大核心机理。

尽管LDH在水处理领域中的应用价值已被发掘，但LDH分离膜的未来发展仍面临挑战。首先是精准调控问题。为克服通量与选择性之间的“Trade-off”效应，未来需通过功能性阴离子交换等手段精确控制层间距，实现目标分子的定制化筛分。其次是制备工艺的革新，目前主流的水热生长法往往具有动力学迟缓、能耗高的痛点，探索更为温和、经济的绿色替代方案已是势在必行。例如，采用快速喷雾或涂覆技术，可将制膜周期大幅缩短至分钟级；此外，结合微波辅助与电化学沉积等外场策略，也是实现低能耗构建高效分离膜的切实路径。

未来，持续深化对LDH制备工艺与分离机理的研究，将为构建新一代高性能水处理分离膜提供强有力的理论指导与技术支撑。

通讯作者简介

刘壮，四川大学教授/博导，四川大学本硕博，英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所访问学者。获得第九届“侯德榜化工科技青年奖”、国家优青基金项目资助、四川省自然科学奖一等奖（排名第2）、爱思唯尔RINENG 杰出科学家奖（Distinguished Scientist Award）等，入选“天府青城计划”天府科技菁英项目、全球华人化工学者学会“未来化工学者”。主要从事离子识别膜与离子分离膜、二维膜与纳流控、智能软湿材料和智能膜组件的研究。在Chemical Society Reviews、Nature Communications、Advanced Functional Materials、Green Chemical Engineering等学术期刊上发表一作及通讯作者论文50余篇；封面、封底及扉页导读论文5篇，申请发明专利20项，已授权12项；受邀参编英文专著2部、参编《膜技术手册》1章。受邀担任Chin Chem Lett、Chinese J Chem Eng、Adv Mem、《膜科学与技术》杂志青年编委。

赵金平，博士，山东理工大学化学化工学院副教授、硕士生导师，英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所访问学者（2018-2019）。长期从事先进膜分离材料与过程、纳米材料可控合成及化工传递机理方面的研究工作。主持完成了1项国家自然科学基金青年基金和1项博士后基金一等面上项目；主持1项山东省自然科学基金面上项目及2项横向课题。迄今，以第一和通讯作者在Nature Communications、ACS Nano，Energy Storage Materials、Separation and Purification Technology、Green Chemical Engineering、Carbon、ACS Applied Materials & Interfaces等期刊上发表论文20余篇，引用次数超过3700次。

文章信息

Z. Zhang, X. Liu, J. Zhao, J. Zhou, Z. Liu, L.-Y. Chu, Layered double hydroxide separation membranes: advances and prospects in water purification applications, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.003 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部