在全球面对人口增长和气候变化的双重挑战时，水资源短缺问题日益凸显。市政、工业和农业废水的再利用被视为应对水资源与淡水需求增加的重要途径。然而，目前大多数现有的分离技术为能源密集型过程，影响可持续发展。因此，开发低能耗的分离技术显得尤为重要。近年来，膜分离技术因其低能耗和环保优势备受关注，尤其是基于超分子大环材料的分离膜，在海水淡化和元素提取等领域取得了显著进展。这种创新技术提升了水资源的利用效率，并为可持续发展提供了新思路。本研究综述了超分子大环材料在水资源综合利用中的应用及最新成果，并展望了未来的发展方向，以期为全球水资源管理带来新机遇，推动水资源的可持续利用。
安徽工业大学化学与化工学院韩新亚副教授和天津工业大学化学学院孙跃教授在Eco-Environment & Health期刊上联合发表了题为“Adsorption and separation technologies based on supramolecular macrocycles for water treatment”的综述论文。
大环化合物，如冠醚、环糊精（CD）、杯[n]芳烃（CA[n]s）和柱[n]芳烃，因其独特的固有空腔结构，在分离、吸附及药物递送领域展现出优异的性能。最新研究表明，发展基于大环材料的吸附和膜分离技术有望显著提高其在水净化和资源利用等领域的应用潜力。随着全球对高效水处理和资源回收需求的增加，这种材料将成为可持续发展的新型解决方案。研究人员正积极探索这些材料在多种环境及生物医药应用中的广泛前景，以期提升水资源管理的效率。
在水污染物处理领域，吸附和膜分离技术已成为主要的处理手段。吸附过程涉及材料有效地从环境中吸收分子或离子，而大环化合物因其独特的空腔结构和分子识别能力，在这一过程中的表现尤为突出。膜分离技术则利用半透膜实现不同粒径分子的选择性分离，为水处理提供了更为精确的解决方案。近期，Cosma小组成功开发了一种以环糊精（CD）为基础的聚合物。该聚合物通过与1-4丁二醇二缩水甘油醚交联，能够高效提取和回收水中的环丙沙星（CIP）。此外，该聚合物在去除多种药物和杀虫剂方面也表现出色，包括双氯芬酸、多菌灵、呋塞米及磺胺甲恶唑等。另外，Pavel A. Levkin课题组通过对多聚膜进行β-环糊精（β-CD）修饰，显著提升了其对雌二醇的吸附量，增加幅度达30%。这些研究成果表明，大环材料的引入在优化分离特异性方面展现出卓越潜力，彰显了其在解决工业废水中广谱污染物问题上的优越性。
图3. (a)水污染物的大小从微米到亚纳米，(b)吸附和过滤机制的示意图
值得注意的是，基于独特的大环分子结构和分子筛分能力，其在海水和盐湖资源领域具有广泛的应用前景。例如，石伟群课题组将CB5掺入二维MXene材料中，成功制造出一种膜，该膜结合了尺寸筛分与电荷效应，实现了对海水中碳酸铀酰的选择性浓缩（图4a、b）。石磊等研究者制备了一种以CB6与尿酰结合的膜，该膜表现出优异的铀酰离子吸附性能。（图4c）。此外，李建新课题组采用1,4,7,10-四氮杂环癸烷（Cyclen）设计的高渗透性纳滤膜，通过战略性地利用Cyclen的特性，达成了对二价离子的高排斥率，从而确保最佳的锂离子选择性。这些研究成果为海水和盐湖资源的有效利用提供了新的理论基础与实践方法。
本综述论文最后讨论了超分子大环在分离和纯化领域的潜在应用前景。文章指出，未来的工作应重点关注结构与功能之间的关系，特别是在分子设计、合成与性能评估方面的创新。大环超分子化学的突破不仅有望推动水处理和盐湖提锂等环境科学领域的发展，还将对金属提取与回收等更广泛的应用领域产生积极影响。这一前景令人期待，将为可持续技术的发展开辟新的道路。
天津工业大学化学学院林倩硕士研究生、安徽工业大学化学与化工学院丁小龙博士研究生为该论文共同第一作者，安徽工业大学化学与化工学院韩新亚副教授和天津工业大学化学学院孙跃教授担任共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目（2022YFE0199800）、国家自然科学基金项目（82104065,32061143045）等项目资助。
Qian Lin1, Xiaolong Ding1, Yuansheng Hou , Wajahat Ali , Zichen Li , Xinya Han*，Zhen Meng*, Yue Sun*, Yi Liu. Adsorption and separation technologies based on supramolecular macrocycles for water treatment, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2024
林倩，硕士研究生，毕业于天津工业大学化学学院，主要从事膜分离研究。
丁小龙，博士研究生，现就读于安徽工业大学化学与化工学院，主要从事膜分离研究。
韩新亚，副教授，博士生导师，安徽工业大学化学与化工学院。主要从事药物化学生物学与生物材料研究，先后主持国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项任务、国家自然科学基金青年项目等国家级项目4项、安徽省高校杰出青年科研项目、安徽省重点研究与开发计划项目等省部级项目4项；负责科技部发展中国家杰出青年科学家来华工作计划2项；以第一作者或通讯作者在Org Lett、 Sensor Actuat B-Chem、Eur J Med Chem、Anal Chem、Chem Sci等国际知名期刊发表高质量论文三十余篇，授权国家发明专利8项。
孙跃，教授，博士生导师，天津工业大学化学学院。主要从事超分子大环膜研究，先后主持国家自然科学基金、天津市自然科学基金等项目。以第一/通讯作者发表SCI论文38篇，包括PNAS、Nat Commun、Angew Chem Int Ed、Sci Adv、JACS和Chem。以第一发明人身份，授权中国发明专利6项。担任SmartMat和VIEW杂志青年编委、Membranes杂志的客座编辑、天津膜天膜科技股份有限公司国家企业技术中心外聘专家，获得第九届中国国际“互联网+”天津市优秀创新创业导师。受邀在膜等相关会议上作邀请报告10余次。
